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정전기 유도

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목차

1. 개요

정전기 유도는 전하를 띠지 않은 물체에 대전체를 가까이 했을 때, 물체 내에서 전하의 재분포가 일어나는 현상이다. 금속과 같은 전기 전도체에서는 자유 전자가 이동하여 전하 분포가 바뀌고, 부도체에서는 분자 내 전자의 미세한 이동으로 분극 현상이 발생한다. 이러한 현상은 검전기와 같은 전하 감지 장치에 활용되며, 정전기 유도 트랜지스터, 정전기판, 정전기 발생기 등 다양한 분야에 응용된다. 그러나 유도 장애와 같은 문제도 발생할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 정전 차폐 기술이 사용된다.

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정전기 유도
정전기 유도
정의전하를 띤 물체가 다른 물체에 접근하여 그 물체의 전하 분포에 변화를 일으키는 현상.
설명전하를 띤 물체가 도체에 가까워지면 도체 내의 자유 전하가 이동하여 전하가 분리된다.
양전하를 띤 물체가 접근하면 도체 내의 자유 전자는 접근한 물체 쪽으로 이동하고, 반대쪽에는 양전하가 유도된다.
음전하를 띤 물체가 접근하면 도체 내의 자유 전자는 접근한 물체 반대쪽으로 이동하고, 접근한 쪽에는 양전하가 유도된다.
절연체의 경우, 분자 내에서 전하의 분극이 일어나 전체적으로 전하가 유도되는 효과가 나타난다.
발견1762년 요한 카를 빌케에 의해 발견됨.
관련 법칙쿨롱 법칙, 가우스 법칙
관련 용어전하
전기장
전위
분극
유전율
응용 분야정전기 발생기
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정전기 방지
터치스크린
기타유도되는 전하의 양은 접근하는 물체의 전하량과 거리에 비례한다.
유도는 접촉 없이 일어나는 현상이다.
유도된 전하는 일시적인 것이며, 접근한 물체가 제거되면 원래 상태로 돌아간다.

2. 설명

일반적으로 전하를 띠지 않은 물체는 양전하와 음전하의 수가 같고 가까이 붙어 있어서, 어떤 부분도 전하를 띠지 않는다. 양(+)전하는 물체에 있는 원자핵이며 자유롭게 움직이지 않는다. 음(-)전하는 원자의 전자이다. 금속 등의 전기 전도체에서는, 전자 일부가 물체에서 자유롭게 이동할 수 있다.

대전체(전하를 띤 물체)를 금속 같은 전하를 띠지 않은 전기 전도체에 가까이 하면, 쿨롱의 법칙에 의해 자유 전자의 분포 상태가 변화함으로써 도체의 전하 분포 상태를 바꾼다. 예를 들어 (+)전하가 도체 가까이 가져가 있을 때 (그림) 도체의 전자는 그 쪽으로 끌어당겨져서 가까운 쪽으로 이동한다. 전자가 위치를 이동할 때, (+)전하를 띠는 원자핵을 남겨놓는다. 결론적으로 외부의 전하와 가까운 부분이 (-)전하, 먼 부분이 (+)전하를 띠는 것이다. 이를 '대전'이라고 한다. 만약 외부의 전하가 (+)전하이면, 전하의 종류가 반대로 될 것이다.[4]

이 과정은 물체에 이미 있던 전하의 재분배일 뿐이므로 물체의 ''총'' 전하는 변하지 않는다. 여전히 순 전하가 없다. 이 유도 효과는 가역적이다. 근처 전하를 제거하면 양전하와 음전하 사이의 인력으로 인해 다시 혼합된다.

3. 도체의 유도

정전기 유도를 보이는 금박 검전기. 접지 전


정전기 유도를 보이는 검전기. 전하량이 셀수록 더 기울어지는 침이 있다.


정전기 유도는 물체의 순전하를 바꾸는 데 사용될 수 있다.

일반적인 비대전 물질은 양전하와 음전하가 같은 수로 존재하며, 서로 가까이 있어 어떤 부분도 순 전하를 띠지 않는다.[4] 양전하는 원자의 핵에 결합되어 자유롭게 이동할 수 없다. 음전하는 원자의 전자이다. 전기 전도성 금속에서는 일부 전자가 자유롭게 이동할 수 있다.

대전된 물체를 비대전 전기 전도성 물체 근처에 가져가면, 쿨롱의 법칙에 따라 내부 전하가 분리된다.[4] 예를 들어, 양전하를 가까이 하면 금속 내 전자는 끌려가 전하를 향한 쪽으로 이동한다. 전자가 빠져나간 영역은 핵 때문에 양전하가 남는다. இதனால் 외부 전하에 가장 가까운 영역은 음전하, 멀리 떨어진 영역은 양전하가 된다. 이를 '유도 전하'라고 한다. 외부 전하가 음전하라면 극성이 반전된다.

이 과정은 물체에 있던 전하의 재분배일 뿐, 물체의 ''총'' 전하는 변하지 않는다. 이 유도 효과는 가역적이다. 근처 전하를 제거하면 양전하와 음전하가 다시 혼합된다.

하지만 유도 효과로 물체에 순 전하를 부여할 수도 있다.[4] 양전하에 가까운 물체가 도전성 경로를 통해 접지에 순간적으로 연결되면, 양전하의 인력으로 접지의 음전하가 물체로 흘러들어간다. 접촉이 끊어지면 물체에 순 음전하가 남는다.

이 방법은 금박 전기검전기로 확인할 수 있다. 검전기를 방전시키고 대전체를 가까이 가져오면, 전기검전기 금속 막대 내부 전하가 분리되어 상단 단자는 물체와 반대 극성의 순 전하를, 금박은 같은 극성의 전하를 얻는다. 두 잎은 같은 전하를 띠므로 서로 밀어내고 벌어진다. 검전기는 순 전하를 얻지 못하고 내부 전하만 재분배된 것이므로, 대전체를 멀리하면 잎은 다시 합쳐진다.

검전기 단자와 접지 사이에 전기적 접촉이 잠깐 이루어지면(예: 손가락 접촉), 단자 근처 물체의 전하에 이끌려 접지에서 단자로 전하가 흐른다. 이 전하는 금박의 전하를 중화시켜 잎이 다시 합쳐진다. 검전기는 대전체와 반대 극성의 순 전하를 포함하게 된다. 접촉이 끊어지면 검전기로 흘러든 여분의 전하는 빠져나갈 수 없어 순 전하를 유지한다. 전하는 유도 전하의 인력으로 상단 단자에 유지된다. 유도 전하가 멀어지면 전하는 방출되어 단자 전체와 잎으로 퍼져 금박은 다시 벌어진다.

접지 후 검전기에 남는 전하 부호는 항상 외부 유도 전하 부호와 반대이다.[5] 유도의 두 가지 규칙은 다음과 같다.[5][6]

  • 물체가 접지되지 않으면, 근처 전하는 물체 내부에 ''같고'' ''반대''인 전하를 유도한다.
  • 유도 전하 근처에서 물체의 ''일부''가 순간 접지되면, 유도 전하와 반대 극성 전하가 접지에서 물체로 끌어당겨져 ''반대'' 전하를 띠게 된다.

3. 1. 도체 내부의 전기장



유도된 전하의 크기는 쿨롱의 법칙에 의해 외부 대전체의 전기장이 전하에 가하는 힘에 의해 결정된다. 금속 물체의 전하가 계속 분리됨에 따라, 결과적으로 생성되는 양전하 영역과 음전하 영역은 외부 전하의 전기장과 반대되는 고유한 전기장을 생성한다.[3] 이 과정은 매우 빠르게(1초의 일부분 이내에) 평형에 도달하며, 이때 유도된 전하는 금속 물체의 내부 전체에 걸쳐 외부 전기장을 상쇄하기에 정확한 크기와 모양을 갖게 된다.[3][7] 그러면 금속 내부의 나머지 이동 전하(전자)는 더 이상 힘을 느끼지 않고 전하의 순 운동이 멈춘다.[3]

3. 2. 도체 표면의 전하



금속 물체 내부의 이동 전하(전자)는 어떤 방향으로든 자유롭게 이동할 수 있어 금속 내부에 정전하가 집중될 수 없다. 만약 정전하가 존재한다면, 서로 밀어내는 힘 때문에 흩어질 것이다.[3] 따라서 유도 현상에서 이동 전하는 외부 전하의 영향을 받아 금속 내부를 이동하여 국부적인 정전기적 중성을 유지한다. 내부의 어떤 영역에서든 전자의 음전하는 원자핵의 양전하와 균형을 이룬다. 전자는 금속 표면에 도달하여 그곳에 모일 때까지 이동하며, 경계면에 의해 더 이상 이동할 수 없게 된다.[3] 표면은 순 전하가 존재할 수 있는 유일한 위치이다.[4]

이는 정전하가 도체 물체의 표면에 존재한다는 원리를 확립한다.[3][7] 외부 전기장은 금속 물체의 표면에 전하를 유도하여 내부의 전기장을 정확하게 상쇄한다.[3]

3. 3. 도체 전체의 전압

두 점 사이의 정전 포텐셜 또는 전압은 작은 양전하를 전기장을 통해 두 점 사이로 이동하는 데 필요한 에너지(일)를 전하의 크기로 나눈 값으로 정의된다. 점 \mathbf{b}에서 점 \mathbf{a}로 향하는 전기장이 있다면, \mathbf{a}에서 \mathbf{b}로 이동하는 전하에 힘을 작용한다. 전기장의 반대 방향 힘에 대항하여 전하를 \mathbf{b}로 이동시키려면 일을 해야 한다. 따라서 전하의 정전 포텐셜 에너지는 증가한다. 따라서 점 \mathbf{b}의 전위는 점 \mathbf{a}보다 높다. 임의의 점 \mathbf{x}에서의 전기장 \mathbf{E}(\mathbf{x})는 정전 포텐셜 V(\mathbf{x})의 기울기(변화율)이다.

:\nabla V = \mathbf{E}\,

전하에 힘을 작용할 수 있는 전기장이 도체 내부에는 없으므로 (\mathbf{E} = 0)\,, 도체 내부에서 전위의 기울기는 0이다.[3]

:\nabla V = \mathbf{0}\,

다른 표현으로, 정전기학에서 정전기 유도는 도체 전체에서 전위(전압)가 일정함을 보장한다.

4. 부도체의 유도

전하를 띤 CD에 붙은 종이 조각


유전체가 전하를 띠는 모습


부도체(유전체)에서도 비슷한 정전기 유도 현상이 일어난다. 풍선, 종이, 스티로폼 조각 같은 작고 가벼운 부도체에서 정전기가 작용해서 끌어당기는 힘이 발생한다.[15][16][17][18]

부도체에서 전자는 도체에서처럼 자유롭게 이동할 수 없고 원자나 분자에 얽매여 있지만, 분자 속에서 약간 이동할 수 있다. (+) 전하를 띤 물체를 부도체에 가까이 하면, 각 분자에 있는 전자가 그 쪽으로 끌어당겨지지만, 반면에 원자핵은 분자의 반대쪽으로 살짝 움직인다. (-)전하가 (+)전하보다 외부 물체에 더 가까우므로, (-)전하의 인력이 (+)전하의 척력보다 세져서 알짜힘은 인력이 작은 세기로 작용한다. 이것은 유전 분극 또는 편극이라고 하고, 분극이 된 분자는 쌍극자라고 한다. 이 효과는 미세하지만, 분자들이 많이 있기 때문에 스티로폼 같은 가벼운 물체를 들어올릴 만한 충분한 힘을 준다. 이는 피스볼 검전기의 작동 원리이다.[11]

5. 응용


  • 정전유도 트랜지스터
  • 정전유도 사이리스터
  • 정전기판
  • 정전기 발생기
  • 윔즈허스트형 정전기 유도 발전기

6. 유도 장애

정전기 유도로 인해 다른 송전선이나 통신 회선에 전류가 흐르거나 사람이 감전되는 등의 유도 장애가 발생할 수 있다. 대책으로 정전 차폐가 있다.

참조

[1] 백과사전 Electrostatic induction http://www.britannic[...] Britannica.com Inc. 2008-06-25
[2] 백과사전 Electricity
[3] 서적 Electricity and Magnetism https://books.google[...] Cambridge Univ. Press 2013
[4] 서적 Fundamentals of Physics https://archive.org/[...] John Wiley and Sons 2010
[5] 서적 Physics https://books.google[...] Library of Alexandria
[6] 서적 Magnetism & Electricity for Beginners https://books.google[...] Macmillan & Company 1899
[7] 서적 Electricity, magnetism, and light https://books.google[...] Academic Press
[8] 서적 Matter and Interactions https://books.google[...] John Wiley and Sons
[9] 웹사이트 Electric Charge and Electric Force http://www.docstoc.c[...] S. Polytechnic State Univ.
[10] 웹사이트 Charge and Charge Interactions https://www.physicsc[...] The Physics Classroom 2012-01-01
[11] 서적 Kaplan MCAT Physics 2010-2011 https://web.archive.[...] famous Publishing
[12] 웹인용 정전기 유도 https://terms.naver.[...] 2021-04-30
[13] 백과사전 Electricity https://books.google[...] The Encyclopædia Britannica Co. 2008-06-23
[14] 서적 Electricity and Magnetism https://books.google[...] Cambridge Univ. Press 2013
[15] 서적 Matter and Interactions https://books.google[...] John Wiley and Sons
[16] 웹사이트 Electric Charge and Electric Force http://www.docstoc.c[...] S. Polytechnic State Univ.
[17] 웹사이트 Charge and Charge Interactions https://www.physicsc[...] The Physics Classroom 2012-01-01
[18] 서적 Introduction to Understandable Physics Vol. 3: Electricity, Magnetism and Ligh https://books.google[...] Author House


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