전기는 이제 우리 생활에서 빼 놓을 수 없는 필수품이다. 문명 사회에 살고 있는 우리로서는 전기의 신세를 지지 않고는 단 몇 시간도 보낼 수 없게 되었기 때문이다.
1. 전기란 도대체 무엇인가.
이런 질문을 받으면 전문적인 교육을 받은 사람조차도 당황하게 된다. 전등에서 전기는 빛이 되고, 전기 난로나 다리미에서는 열이 발생한다. 전자석으로 이용 될 경우, 쇠붙이를 끌어 당기는 힘도 생긴다. 그러나 이러한 전기의 작용을 생각해 보아도 전기 자체가 어떤 것인가에 대한 규명이 되지 않는다.전기의 정체를 규명하기 위해 인류는 오랫동안 노력해 왔다. 이미 400여년 전부터 자연계에는 전기라는 것이 있다는 사실이 알려져 있었다. 그래서 많은 학자나 연구가들이 이에 대한 연구를 했지만, 전기가 어떻게 하면 일어나느냐에 대한 현상 규명에 불과했다. 물체와 물체를 서로 문지르면 마찰전기가 일어나거나, 천둥 번개도 일종의 전기일 것 같다는 등을 알아낼 수 있었지만, 전기 그 자체의 정체는 밝혀내지 못했다. 그러나 이러한 현상을 중심으로한 전기의 연구는 꾸준히 계속되었다. 또 전기의 정체를 모르면서도 전기를 이용한 발명품은 계속 나왔다. 1879년 에디슨이 발명한 백열전구도 이러한 발명품 중의 하나였다. 전선을 타고 흐르는 전기의 정체는 물론 에디슨도 알지 못했던 것이다. 전기의 정체가 처음으로 규명된 것은 1897년에디슨이 백열전구를 발명한 이후 20년쯤이 지나서 영국의 물리학자 톰슨에 의해서 밝혀졌다.톰슨은 여러가지 실험 끝에 전기라는 것이 아주 미세한 입자라는 것을 알아냈다. 그는 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 한다는 것을 알고 전자(electron)라고 이름을 붙였다.
2. 가출한 전자의 해방
톰슨은다음과 같은 실험을 해 보았다. 당시에는 이미 발전기로 전기를 발전하고 있었다. 위 그림에서 보듯이, 그는 유리관의 양쪽 끝에 전극을 붙인 다음, 유리관 속의 공기를 빼고 높은 전압을 걸어 보았다. 그랬더니 음극쪽에서 양극쪽으로 빛과 같은 것이 흐르는 것을 발견 했던 것이다. 이 실험에서와 같이 진공 속을 전류가 흐르는 것을 진공방전이라고 하며, 그 관을 진공방전관, 음극에서 양극으로 흐르는 빛과 같은 것을 음극선이라고 한다. 요즘이라면 전기가 양극에서 음극으로 흐른다는 것을 초등학생도 알고 있을 것이다.물론 왜 그렇게 되는냐 하는 원리까지는 잘 모르는 사람이 많겠지만 말이다. 그런데 톰슨의 실험에서는 빛과 같은 것이 양극에서 음극으로 흐르는 것이 아니고, 반대로 음극에서 양극으로 흘렀다. 전기의 정체를 파악하는데 이것은 대단히 중요한 발견이었다. 음극선을 발견한 후, 다시 실험을 거듭한 끝에 음극선이 결국은 극히 미소한 입자인 전자의 흐름이라는 것을 알게 되었다.모든 물질은 원자가 결합되어 이루어진다는 것을 우리는 학교에서 배웠다. 아래 그림을 보면, 원자를 이해하는데 도움이 될 것이다. 즉 중심에 양전기를 띤 양자(proton)와 전기를 갖지 않는 중성
자(neutron)로 이루어진 원자핵이 있고, 그 둘레를 음전기를 전자가 돌고 있는 것이다. 보통의 물질이라면 양자의 수와 전자의 수가 같기 때문에 양전기와 음전기의 전기량이 균형이 잡힌 상태, 따라서 물질 전체로서는 전기적으로 중성이 되어 있다. 그러나 원자핵과 전자는 그렇게 단단하게 결합되어 있는 것만도 아니다. 물질에 따라서는 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자가 원자핵에 비교적 약하게 결합되어 있을 수도 있다. 외부로 부터 어떤 에너지(이를테면 열이나 빛, 마찰 등)를 받게 되면, 그 전자는 궤도에서 벗어나 자유로이 떠돌아 다니게 된다. 이 떠돌이 전자를 자유전자라고 하는데, 이 자유전자가 이동함으로써 전기가 흐른다는 것을 알게 되었다.
3. 헝겊에서도 전기가 일어난다.
좀더 구체적인 설명을 위해, 마찰전기를 예로 들어보자. 마찰전기라고 하면 어렵게 생각될지 모르지만, 실은 우리가 일상생활에서 흔히 접하게 되는 현상이다. 흔히 플라스틱 책받침으로 헝겊으로 문지르면, 헝겊이 달라 붙게 된다.또, 공기가 건조한 겨울철에 셧츠나 스웨터를 벗으면 바작바작 소리가 나는 일이 있는데, 이것은 모두 마찰 전기 때문이다.플라스틱 책받침을 헝겊으로 문지르면 마찰로 에너지를 받아, 헝겊이란 물질 안에서 원자를 구성하고 있던 전자는 궤도에서 벗어나 플라스틱을 구성하고 있는 원자쪽으로 이동하게 된다.전자는 마이너스(-)전기를 가지고 있으므로 결과적으로 플라스틱 책받침 전체는 마이너스(음)전기를 가지게 된다. 한편 전자를 잃은 헝겊은 마이너스 전기가 없어져 버렸기 때문에, 전기적으로 플러스(+)성질을 갖게 되는 것이다.마이너스 전기와 플러스 전기는 서로 끌어당기는 성질이 있기 때문에, 마이너스 전기의 책받침과 플러스 전기의 헝겊은 붙어 버리게 된다. 그렇다면 반대로 서로 다른 종류의 전기끼리는 어떻게 될까?말할 필요도 없이 서로 반발하여 밀어내게 된다.그러나 이렇게 발생한 전기는 언제까지나 지속력을 갖는 것은 아니다. 점점 전기가 도망해 버리기 때문이다. 따라서, 전자의 증감에 의해서 불안정하게 되어 있던 원자는 전자가 도로 이동하여 옴에 따라 다시 원래의 상태로 되돌아 가게 된다.이와 같이 마찰 전기는 두 물질 사이에서 발생한 마찰 에너지에 의해서 생기는 현상이다. 즉 어느 한쪽 물질의 전자가 다른 쪽 물질로 이동함으로써 전기가 생기게 되는 것이다. 물론, 이 때 어느쪽의 전자가 어느쪽으로 이동하느냐는 두 물질의 성질에 따라 다르다.물체가 전자를 잃었을때, 이 물체는 전기를 띠고 있다. 또는 대전되었다고 하며, 대전된 물체를 대전체라고 하다.
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