전하
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1. 개요
전하는 물질의 기본적인 성질로, 정전기적 인력 또는 척력을 나타낸다. 고대 그리스 시대부터 호박을 문지르면 먼지가 달라붙는 현상이 알려졌으며, 전기를 뜻하는 여러 유럽어 단어가 이 현상에서 유래했다. 전하는 양전하와 음전하로 구분되며, 쿨롱의 법칙, 전하 보존 법칙 등과 관련된 여러 법칙이 존재한다. 전하는 반도체, 전지 등 다양한 분야에 응용된다.
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| 전하 | |
|---|---|
| 전하 개요 | |
| 이름 | 전하 |
| 로마자 표기 | jeonha |
| 영어 이름 | electric charge |
| 설명 | 물질의 전자기적 성질 |
 | |
| 단위 및 기호 | |
| 단위 | 쿨롱 (C) |
| 다른 단위 | 기본 전하 패러데이 암페어시 |
| 기호 | q |
| 기본 단위 | A⋅s |
| 차원 | wikidata |
| 크기 성질 | 있음 |
| 보존 | 있음 |
| 전하 특성 | |
| 전하의 종류 | 양전하, 음전하 |
| 전하의 양자화 | 전하는 기본 전하(e)의 정수배로 양자화됨 |
| 기본 전하 값 | 1.602 × 10^-19 쿨롱(C) |
| 관련 개념 | |
| 관련 물리량 | 전류 |
| 연관 이론 | 전자기학 |
| 관련 법칙 | 쿨롱의 법칙 |
| 기타 | |
| 푸앵크 단위 | 푸앵크 전하 |
| 원자 단위 | 전기 소량 |
2. 역사
고대 그리스 시대부터 호박을 문지르면 먼지 등이 달라붙는 정전기 현상이 알려져 있었다. 17세기 윌리엄 길버트는 '전기(electricity)'라는 용어를 처음 사용하며 전기 현상에 대한 연구를 시작했다. 18세기에는 벤저민 프랭클린이 번개가 전기 현상임을 밝혔고, 샤를 드 쿨롱은 두 전하 사이에 작용하는 힘을 정량화하는 쿨롱의 법칙을 발견했다.
1800년 알레산드로 볼타는 볼타 전지를 통해 전하가 닫힌 경로를 통해 지속적으로 움직일 수 있음을 최초로 증명하였다.[41] 19세기 마이클 패러데이는 전하의 불연속적인 성질을 발견했으며, 20세기 초 로버트 밀리컨의 기름방울 실험을 통해 기본 전하량이 측정되었다.
2. 1. 고대
고대 그리스 시대에 호박을 문지르면 옷자락이나 먼지 같은 것들이 달라붙는 현상이 알려져 있었다. 최초의 호박 효과에 대한 기록은 기원전 624년경부터 기원전 546년경까지 살았던 고대 그리스 수학자 탈레스가 남겼으나, 그가 어떤 글을 남겼는지에 대한 의문이 있다.[9] 그의 호박에 대한 설명은 200년대 초의 기록에서 알려져 있다.[10] 이 기록은 기원전 600년경부터 이 현상이 알려졌다는 증거로 받아들일 수 있지만, 탈레스는 이 현상을 무생물이 영혼을 가지고 있다는 증거로 설명했다.[10]2. 2. 17세기 ~ 18세기: 전기 연구의 발전
18세기 중엽 벤저민 프랭클린은 뇌우 속으로 연을 날리는 매우 위험한 실험을 통해 번개가 호박에 의해 발생되는 것과 동일한 전기임을 입증하였다.[56]1600년 영국 과학자 윌리엄 길버트는 ''자석에 대하여''를 출판하여 전기 현상에 대한 지속적인 연구의 시작을 알렸다.[15] 길버트는 후기 라틴어 단어 ''electrica''(ἤλεκτρον|엘렉트론grc에서 유래, ''호박''을 뜻하는 그리스어)를 만들었고, 영어 ''electrics''로 번역되었다.[16] 길버트는 ''electrical''이라는 용어를 만들었고, ''electricity''라는 용어는 1646년 토마스 브라운 경의 허구의 박물학에서 처음 사용되었다.[17]
1663년경 오토 폰 게리케는 최초의 정전기 발생기를 발명했지만, 주로 전기 장치로 인식하지 않았고, 최소한의 전기 실험만 수행했다.[19] 1675년에 로버트 보일은 전기 현상에만 전념한 최초의 영어 책을 출판했고,[20] 두 물체 사이의 상호 인력을 알아차렸다.[20]
1729년 스티븐 그레이는 전기 유출물이 거리를 통해 전달(전도)될 수 있음을 보여주었다.[22] 그는 전기 유출물의 전도를 용이하게 하거나 방해하는 다양한 재료의 중요성을 발견했고, 존 테오필러스 데사굴리에르는 전도체와 절연체라는 용어를 만들었다.[22] 그레이는 또한 전기 유도(전하가 직접적인 물리적 접촉 없이 한 물체에서 다른 물체로 전달될 수 있는 현상)를 발견했다.[23]
1733년 샤를 프랑수아 드 시스테르나이 뒤페이는 전기가 서로를 상쇄하는 두 가지 종류(유리 전기, 수지 전기)로 나뉜다는 이중 유체 이론을 제안했다.[27][28]
벤저민 프랭클린은 1746년 후반에 전기 실험을 시작했고,[31] 1750년까지 단일 유체 전기 이론을 개발했다.[31][32] 프랭클린은 전기를 모든 물질에 존재하는 보이지 않는 유체로 상상했고, 전하라는 용어를 만들었다. 그는 절연 표면을 서로 문지르면 유체가 위치를 바꾸고, 유체의 흐름이 전류를 구성한다고 가정했다. 또한 물질이 유체를 과잉 함유하면 양으로 대전되고, 결핍되면 음으로 대전된다고 가정했다.[34]
2. 3. 19세기 ~ 20세기: 전하 개념의 정립
알레산드로 볼타는 1800년에 볼타 전지를 개발하여 전하가 닫힌 경로를 통해 지속적으로 움직일 수 있음을 처음으로 증명하였다.[41] 1833년, 마이클 패러데이는 정전기, 압전기, 자기 유도, 볼타 전지의 전류, 생체 전기 등 다양한 종류의 전기가 본질적으로 동일하다는 것을 증명하고자 하였다.[42]1838년, 패러데이는 전하가 두 개 이상의 물체 사이의 관계라는 결론을 내렸다.[44] 그는 물질이 다른 종류의 전하와 독립적으로 한 종류의 전하로 대전될 수 있는지 여부를 조사한 결과, 다른 물체에 반대 전하가 없이는 한 물체를 대전시킬 수 없다는 것을 발견했다.[44]
1850년대 중반부터 전자기학에 대한 장 이론적 접근 방식을 개발한 제임스 클러크 맥스웰은 전하를 장의 에너지 변환 결과로 이해하기 시작했다.[46] 그는 전하의 크기를 미시적 수준에서도 연속적인 양으로 간주했다.[46]
3. 전하의 성질
전하는 물질의 기본적인 성질로, 정전기적 인력 또는 척력을 나타낸다. 고대 그리스 시대부터 호박을 문지르면 물체가 달라붙는 현상이 알려져 있었으며, 전기를 뜻하는 여러 유럽 언어 단어들은 호박을 뜻하는 그리스어 ήλεκτρον|엘렉트론grc에서 유래했다. 18세기 중엽 벤저민 프랭클린은 뇌우 속으로 연을 날리는 실험을 통해 번개가 호박에 의해 발생되는 것과 동일한 전기 현상임을 입증하였다.[56]
전하는 양자화되어 있으며, 기본 전하량(''e'')의 정수배로 존재한다. 즉, 일반적인 경우 전자 한 개가 갖는 전하량이 전하량의 최소 기준으로 사용될 수 있다.[55] 마이클 패러데이는 전기분해 실험을 통해 전하의 불연속적인 성질을 처음으로 알아차렸고, 로버트 밀리컨의 기름방울 실험은 이 사실을 직접적으로 증명하고 기본 전하량을 측정했다.
샤를 드 쿨롱은 두 점전하 사이에 작용하는 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 발견하였다.[58] 쿨롱의 법칙은 두 전하 사이에 작용하는 힘이 두 전하 크기의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 보여준다.
| 쿨롱의 전하 측정 시험 과정 및 결과 |
|---|
| 시험 과정 |
| 시험 결과 |
쿨롱의 법칙을 식으로 나타내면 다음과 같다.[58]
:
(F=힘, Ke=쿨롱 상수, q1 · q2=전하의 크기, r=두 전하 사이의 거리)
쿨롱 상수(Ke)는 다음과 같다.
:
:: N m2 C−2
정전기는 마찰과 같은 것에 의해 축적되어 흐르지 않는 전기를 말한다. 예를 들어 건조한 겨울철 고무나 플라스틱 밑창이 달린 신발을 신고 걸으면 마찰로 인해 우리 몸에 정전기가 발생하고, 자동차 문 손잡이와 같은 금속을 만지면 전기 충격을 받을 수 있다.[57]
전하 보존 법칙에 따라 고립계의 총 전하량은 항상 일정하게 유지된다. 전하는 상대론적 불변량으로, 전하 ''q''를 갖는 어떤 입자는 그 속도에 관계없이 같은 전하를 갖는다.
3. 1. 전하의 종류
전하는 양전하와 음전하 두 가지 종류로 나뉜다. 양성자는 양전하, 전자는 음전하를 띤다.[55] 같은 종류의 전하는 서로 밀어내고(척력), 다른 종류의 전하는 서로 끌어당긴다(인력).[56]과학계의 관례에 따르면 유리 전기는 양전기로, 수지 전기는 음전기로 정의된다.[47] 전하량은 양 또는 음의 값을 가질 수 있으며, 양전하를 띤 입자를 양전하, 음전하를 띤 입자를 음전하라고 부르기도 한다. 예를 들어 양성자는 양전하, 전자는 음전하이다.
3. 2. 전하량
SI 단위계에서 전하량의 단위는 쿨롱(C)이다. 1 쿨롱은 1 암페어의 전류가 1초 동안 도체의 단면을 통과하는 전하량이다. 전하는 전자기 현상을 일으키는 근원이며, 전하량에 따라 어떤 물체가 전자기장이나 다른 전하로부터 받는 힘의 크기가 결정된다.[5]전하량은 양 또는 음의 값을 가질 수 있다. 양성자는 양전하를, 전자는 음전하를 띤다. 중성자는 전하를 띠지 않는다.[58]
기본 전하(''e'')는 전하의 최소 단위이며, 약 1.602 x 10-19|1.602 x 10-19영어 C이다. 전자 연구 과정에서 발견되었으며, 1개의 전자나 양성자가 가지는 전하량의 절댓값이 기본전하이다. 따라서 전하량은 기본전하의 정수배로 나타낼 수 있다. 하지만, 거시적인 전자기 현상을 다룰 때 기본전하가 고려되는 경우는 거의 없다.[55][59]
쿼크의 전하량은 (-1/3)''e'' , (+2/3)''e''로 생각되지만, 쿼크들은 강력에 의해 서로 결합되어 있기 때문에, 단독으로 관측된 적은 없다.
3. 3. 전하 밀도
전하 밀도는 단위 부피당 전하량을 나타낸다.4. 정전기
일반적으로 원자는 양성자와 전자의 수가 균형을 이루어 전기적으로 중성 상태를 유지한다. 그러나 원자의 가장 바깥 껍질에 있는 전자는 상대적으로 약하게 결합되어 있어 마찰과 같은 물리적인 힘에 의해 쉽게 원자에서 벗어날 수 있다. 이렇게 한 물질에서 다른 물질로 전자가 이동하면 전자를 잃은 쪽은 양전하를 띠게 되고, 반대편 물질은 음전하를 띠게 된다. 마찰 등에 의해 축적되어 흐르지 않는 전기를 정전기라고 한다.[57] 예를 들어 건조한 겨울철 고무나 플라스틱 밑창이 달린 신발을 신고 걸으면 마찰로 인해 우리 몸에 정전기가 발생하며, 이는 자동차 문 손잡이와 같은 금속을 만졌을 때 전기 충격으로 느껴질 수 있다.[57]
물체의 순 전하가 0이 아니거나 정지해 있을 때 나타나는 현상이 정전기이다. 호박과 털, 또는 유리와 비단과 같이 서로 다른 두 물질을 문지르면 쉽게 정전기가 발생한다. 이러한 방식으로 비전도성 물질은 양전하 또는 음전하로 상당한 정도로 대전될 수 있다. 한 물질에서 빼앗긴 전자는 다른 물질로 이동하여 같은 크기의 반대 전하를 남긴다. ''전하 보존 법칙''은 항상 적용되어, 음전하를 빼앗긴 물체에는 같은 크기의 양전하가 남고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
물체의 순 전하가 0이더라도 전하는 물체 내에 불균일하게 분포될 수 있다. (예: 외부 전자기장 또는 극성 분자의 결합) 이러한 경우, 물체는 분극되었다고 한다. 분극으로 인한 전하를 결합 전하라고 하고, 물체 외부에서 얻거나 잃은 전자에 의해 생성된 물체의 전하는 ''자유 전하''라고 한다.
정전기는 물체의 전하와 두 물체가 평형 상태에 있지 않을 때 접촉하면 발생하는 관련된 정전기 방전을 가리킨다. 정전기 방전은 두 물체 각각의 전하량을 변화시킨다.
고대 그리스 시대에 호박을 문지르면 옷자락이나 먼지가 달라붙는 현상이 알려져 있었다. 유럽 언어에서 전기를 뜻하는 단어는(electricity영어, électricité프랑스어, Elektrizitätde) 호박을 뜻하는 ήλεκτρον|엘렉트론grc에서 유래했다. 18세기 중엽 벤저민 프랭클린은 뇌우 속으로 연을 날리는 실험을 통해 번개가 호박에 의해 발생하는 것과 동일한 전기임을 입증하였다.[56]
5. 전류
전류는 전하의 흐름이다. 가장 일반적인 전하 운반체는 양전하를 띤 양성자와 음전하를 띤 전자이다. 이러한 전하를 띤 입자들의 움직임은 전류를 구성한다. 많은 경우, 양전하가 기존 전류의 방향으로 움직이는지 또는 음전하가 반대 방향으로 움직이는지에 관계없이 ''기존 전류''에 대해 이야기하는 것으로 충분하다. 이러한 거시적 관점은 전자기 개념과 계산을 단순화하는 근사치이다.[55][59]
반대로, 미시적인 상황을 살펴보면 전류를 전달하는 많은 방법이 있음을 알 수 있다. 여기에는 전자의 흐름, 양전하처럼 작용하는 전자 홀의 흐름, 그리고 전해 용액 또는 플라즈마에서 반대 방향으로 흐르는 음전하와 양전하 입자(이온 또는 기타 전하를 띤 입자)) 모두가 포함된다.
일반적이고 중요한 금속선의 경우, 기존 전류의 방향은 실제 전하 운반체인 전자의 표류 속도와 반대임을 주의해야 한다.
단위 시간당 특정 위치(또는 면적)를 통과하는 전하량을 전류라고 한다. 전류의 SI 단위는 암페어(A)이며, 이는 SI 기본 단위이다. 전류의 정의에서 명확히 알 수 있듯이, 전하는 전류를 시간에 대해 적분한 값이다. 따라서 전하의 SI 조립 단위는 암페어·초[A s]이며, 이 단위를 쿨롱(C)이라고 한다. 즉, 1C = 1A s이다.
6. 전하와 관련된 법칙
샤를 드 쿨롱이 발견한 쿨롱의 법칙과 전하량의 총량이 보존된다는 전하 보존 법칙이 있다. 전하 보존 법칙은 고립계 내에서 전하의 총량이 시간이 지나도 변하지 않는다는 법칙이다. 전하는 생성되거나 소멸되지 않고, 한 물체에서 다른 물체로 이동할 뿐이다. 현재까지 알려진 모든 반응에서 이 법칙이 깨진 예는 없다.
6. 1. 쿨롱의 법칙
샤를 드 쿨롱은 금속공과 비틀림 저울을 이용하여 두 점전하 사이에 작용하는 힘을 측정하고, 두 전하 사이에서 작용하는 힘은 두 전하 크기의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는 쿨롱의 법칙을 발견하였다.[58]| 쿨롱의 전하 측정 시험 |
|---|
| 시험 과정 |
| 시험 결과 |
위 실험 결과를 식으로 나타내면 다음과 같다.[58]
:F영어 = ke영어
:F영어는 힘, Ke영어는 쿨롱 상수, q1영어·q2영어는 전하의 크기, r영어은 두 전하 사이의 거리이다.
- 위 식에서 Ke영어는 쿨롱 힘 상수로 이 상수의 크기는 다음과 같다.
:ke영어 = = 8.987551787 × 109
:≈ 9 × 109 N m2 C−2
따라서, 각각 1C의 크기를 갖는 두 전하가 1m의 거리에 있을 때 발생하는 힘은 다음과 같이 계산될 수 있다.[58]
:F영어 = 9 × 109 N m2 C−2 ×
: = 9 × 109 N ≈ 1000 × 106 Kg중 = 100만 t중
즉, 각각 1C의 전하량을 갖는 두 점전하가 1m의 거리에 있을 때 발생하는 힘은 10t 트럭 10만 대와 맞먹는다. 이렇게 큰 힘이 기준 단위가 된 것은 전기에 대한 상세한 지식이 없는 시절에 이를 측정 단위로 삼았기 때문이다. 실제 일상 생활에서 발생하는 정전기의 전하량은 대략 10-9 에서 10-6 쿨롱 정도에 불과하다.[58]
같은 부호의 전하를 가진 입자는 서로 밀어내고(척력), 다른 부호의 전하를 가진 입자는 서로 끌어당긴다(인력). 쿨롱의 법칙은 두 입자 사이의 정전기적 힘을 정량화하여, 힘이 각 입자의 전하량의 곱에 비례하고, 두 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례한다고 명시한다.
6. 2. 전하 보존 법칙
전하 보존 법칙은 고립계 내에서 전하의 총량이 시간이 지나도 변하지 않는다는 법칙이다. 전하는 생성되거나 소멸되지 않고, 한 물체에서 다른 물체로 이동할 뿐이다. 이 법칙은 물리학에서 알려진 모든 과정에 내재되어 있으며, 파동 함수의 게이지 불변성으로부터 국소적 형태로 유도될 수 있다. 전하 보존은 전하-전류 연속 방정식을 만든다.보다 일반적으로, 적분 부피 ''V'' 내의 전하 밀도 ''ρ''의 변화율은 폐곡면 ''S'' = ∂''V''를 통과하는 전류 밀도 '''J'''에 대한 면적분과 같으며, 이는 다시 순 전류 ''I''와 같다.
:
따라서 연속 방정식으로 표현된 전하 보존은 다음 결과를 제공한다.
:
와 사이에 전달된 전하는 양변을 적분하여 얻는다.
:
여기서 ''I''는 폐곡면을 통과하는 순 외향 전류이고, ''q''는 곡면에 의해 정의된 부피 내에 포함된 전하량이다.
전하의 총량은 항상 보존된다는 법칙이며, 현재까지 알려진 모든 반응에서 이 법칙이 깨진 예는 없다. 이러한 의미에서 전하는 소립자가 갖는 가장 기본적인 성질 중 하나라고 할 수 있다.
7. 전하의 응용
전하는 현대 사회의 여러 기술 분야에 응용된다.
7. 1. 반도체
유럽의 여러 언어에서 전기를 뜻하는 electricity영어, électricité프랑스어, Elektrizitätde 등은 호박을 뜻하는 ήλεκτρον|엘렉트론grc에서 기원하였다. 같은 종류의 전하 사이에는 척력이 작용하고, 다른 종류의 전하 사이에는 인력이 작용한다. 이 두 종류의 전하를 '''양전하'''와 '''음전하'''라고 한다. 전자는 음전하를 띠고, 두 개의 위 쿼크와 하나의 아래 쿼크로 이루어진 양성자는 양전하를 띤다.[55]일반적으로 원자는 양성자와 전자의 수가 균형을 이루어 전기적으로 중성인 상태에 있다. 그러나 마찰과 같은 물리적 힘에 의해 전자가 한 물질에서 다른 물질로 이동하면, 전자를 잃은 쪽은 양전하를 띄고 반대편은 음전하를 띄게 된다. 이렇게 축적되어 흐르지 않는 전기를 정전기라고 한다. 전기가 잘 흐르지 않는 부도체가 마찰하면 정전기가 발생한다.[57]
8. 한국과 전하
한국에서는 전통적으로 정전기 현상에 대한 기록이 남아있다. 조선 시대 학자 이규경은 그의 저서 《오주연문장전산고》에서 "번개가 칠 때 명주옷을 입으면 벼락을 피할 수 있다"는 민간 속설을 기록하고, 그 이유를 명주실과 동물의 털 사이의 마찰로 발생하는 정전기 현상으로 설명했다. 대한민국은 1960년대부터 전자 산업을 육성하기 시작하여, 현재는 세계적인 반도체 강국으로 성장했다. 한국의 반도체 산업은 전하의 성질을 정밀하게 제어하는 기술을 바탕으로 발전해왔다. 최근에는 인공지능, 사물 인터넷, 자율주행차 등 4차 산업혁명 기술의 발전과 함께 전하 제어 기술의 중요성이 더욱 커지고 있다.
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