수세기 전에 어떤 종류의 재료가 서로 문지른 후 신비롭게 서로를 끌어당기는 것이 발견되었습니다. 예를 들어, 실크 조각을 유리 조각에 문지른 후 실크와 유리는 서로 달라붙는 경향이 있습니다. 실제로 두 재료를 분리했을 때에도 입증할 수 있는 인력이 있었습니다.
유리와 실크는 이런 식으로 행동하는 것으로 알려진 유일한 재료가 아닙니다. 라텍스 풍선에 닿았을 때 풍선이 달라붙으려고 하는 것을 본 사람이라면 누구나 이와 동일한 현상을 경험했을 것입니다. 파라핀 왁스와 양모 천은 초기 실험자들이 서로 문지른 후 인력이 나타난다고 인식한 또 다른 재료입니다.
동일한 재료를 각각의 천으로 문지르면 항상 서로를 밀어낸다는 사실을 발견했을 때 이 현상은 더욱 흥미로워졌습니다.
또한 실크로 문지른 유리 조각을 양모로 문지른 왁스 조각에 노출시키면 두 재료가 서로 끌어당긴다는 사실도 발견되었습니다.
게다가 문지른 후 인력이나 반발의 특성을 보이는 모든 물질은 두 가지 뚜렷한 범주 중 하나로 분류될 수 있다는 것이 발견되었습니다. 유리에 인력이 있고 왁스에 밀려나거나, 유리에 밀려나고 왁스에 인력이 있는 것입니다. 둘 중 하나였습니다. 유리와 왁스에 모두 인력이 있거나 밀려나거나, 하나에 반응하지만 다른 하나에 반응하지 않는 물질은 발견되지 않았습니다.
더 많은 주의가 문지르는 데 사용된 천 조각에 집중되었습니다. 두 조각의 유리를 두 조각의 실크 천으로 문지른 후, 유리 조각이 서로 밀어낼 뿐만 아니라 천도 밀어냈다는 것을 발견했습니다. 왁스를 문지르는 데 사용된 양모 조각에도 동일한 현상이 나타났습니다.
이제, 이건 정말 이상하게 보였습니다. 결국, 이 물체들 중 어느 것도 문지름으로 인해 눈에 띄게 변하지 않았지만, 문지르기 전과는 확실히 다르게 행동했습니다. 이 물질들이 서로 끌어당기거나 밀어내는 데 어떤 변화가 일어났는지는 보이지 않았습니다.
일부 실험자들은 문지르는 과정에서 보이지 않는 "유체"가 한 물체에서 다른 물체로 전달되고, 이 "유체"가 멀리 떨어진 곳에서 물리적 힘을 가할 수 있다고 추측했습니다. 샤를 뒤페이는 특정 물체 쌍을 서로 문지르면 확실히 두 가지 유형의 변화가 발생한다는 것을 보여준 초기 실험자 중 한 명이었습니다. 이러한 물질에서 두 가지 이상의 유형의 변화가 나타났다는 사실은 인력 과 반발이라는 두 가지 유형의 힘이 생성되었다는 사실에서 분명해졌습니다. 가상의 유체 전달은 전하 로 알려지게 되었습니다 .
선구적인 연구자 중 한 명인 벤저민 프랭클린은 문지른 물체 사이에서 교환되는 유체는 하나뿐이며, 두 가지 다른 "전하"는 그 유체의 과잉 또는 결핍에 불과하다는 결론에 도달했습니다. 왁스와 양모로 실험한 후, 프랭클린은 거친 양모가 매끄러운 왁스에서 보이지 않는 유체의 일부를 제거하여 양모에 과도한 유체가 생기고 왁스에 유체가 부족하게 되었다고 제안했습니다. 양모와 왁스 사이의 유체 함량의 결과적인 불일치는 유체가 두 재료 사이에서 이전의 균형을 회복하려고 시도함에 따라 인력을 발생시킵니다.
문지르면서 얻거나 잃은 단일 "유체"의 존재를 가정하는 것이 관찰된 행동을 가장 잘 설명했습니다. 즉, 이 모든 재료가 문지르면 두 가지 범주 중 하나에 깔끔하게 속하고, 가장 중요한 것은 서로 문지르는 두 가지 활성 재료가 항상 반대 범주에 속한다는 것 입니다. 이는 변함없이 서로에게 끌리는 것으로 입증되었습니다. 다시 말해, 두 가지 재료가 서로 문지르면서 둘 다 양(+) 또는 음(-)이 되는 시간은 없었습니다 .
프랭클린이 양털이 왁스에서 무언가를 문지른다는 추측을 한 후, 문지른 왁스와 관련된 전하 유형은 "음극"(유체가 부족하다고 가정했기 때문)으로 알려졌고, 문지르는 양털과 관련된 전하 유형은 "양극"(유체가 과도하다고 가정했기 때문)으로 알려졌습니다. 그는 자신의 순진한 추측이 미래에 전기학을 전공하는 학생들에게 큰 혼란을 야기할 줄은 몰랐습니다!
1780년대에 프랑스 물리학자 샤를 쿨롱은 두 개의 전기적으로 대전된 물체 사이에 생성되는 힘을 측정하는 비틀림 저울 이라는 장치를 사용하여 전기적 전하의 정확한 측정을 수행했습니다. 쿨롱의 연구 결과는 그의 이름을 딴 전기적 전하의 단위인 쿨롱 의 개발로 이어졌습니다. 두 개의 "점" 물체(표면적이 거의 없는 가상의 물체)가 1쿨롱으로 동일하게 대전되고 1미터(약 1야드) 간격으로 배치되면 약 90억 뉴턴(약 20억 파운드)의 힘을 생성하여 관련된 전하의 유형에 따라 끌어당기거나 밀어냅니다. 전기적 전하의 단위로서 쿨롱의 작동적 정의(점 전하 사이에 생성되는 힘의 관점에서)는 약 6,250,000,000,000,000,000개의 전자의 초과 또는 부족과 동일한 것으로 밝혀졌습니다. 또는 역으로 말하면, 한 전자는 약 0.000000000000000000016 쿨롱의 전하를 갖습니다. 한 전자가 알려진 가장 작은 전하 운반자이기 때문에 전자의 이 마지막 전하 수치는 기본 전하 로 정의됩니다 .
훨씬 후에 이 "유체"가 실제로 전자 라고 불리는 극히 작은 물질 조각으로 구성되어 있다는 사실이 발견되었습니다 . 이는 고대 그리스어로 호박을 뜻하는 단어에서 따온 것입니다. 천으로 문지르면 대전된 특성을 보이는 또 다른 물질입니다.
원자의 구성
그 이후 실험을 통해 모든 물체는 원자 라고 알려진 극히 작은 "구성 요소"로 구성되어 있으며 , 이러한 원자는 다시 입자 라고 알려진 더 작은 구성 요소로 구성되어 있다는 것이 밝혀졌습니다 . 대부분의 원자를 구성하는 세 가지 기본 입자는 양성자 , 중성자 및 전자 라고 합니다 . 대부분의 원자는 양성자, 중성자 및 전자의 조합을 가지고 있지만 모든 원자가 중성자를 가지고 있는 것은 아닙니다. 예를 들어 수소의 프로튬 동위 원소(1H1)(수소-1)는 수소의 가장 가볍고 가장 흔한 형태로 양성자와 전자가 하나만 있습니다. 원자는 너무 작아서 볼 수 없지만, 원자를 볼 수 있다면 다음과 같이 보일 수 있습니다.
어떤 물질의 각 원자는 하나의 단위로 뭉쳐 있는 경향이 있지만, 실제로는 전자와 그 가운데 있는 양성자 및 중성자 덩어리 사이에 많은 빈 공간이 있습니다.
이 원시적인 모델은 6개의 양성자, 6개의 중성자, 6개의 전자를 가진 탄소 원소의 모델입니다. 모든 원자에서 양성자와 중성자는 매우 단단히 결합되어 있으며, 이는 중요한 특성입니다. 원자의 중심에 있는 단단히 결합된 양성자와 중성자 덩어리를 핵이라고 하며 , 원자 핵의 양성자 수는 원소적 정체성을 결정합니다. 원자 핵의 양성자 수를 바꾸면 원자의 유형이 바뀝니다. 사실, 납 원자의 핵에서 양성자 3개를 제거할 수 있다면, 금 원자를 생산한다는 옛 연금술사의 꿈을 이룰 수 있을 것입니다! 핵에서 양성자의 단단히 결합된 것이 화학 원소의 안정적인 정체성과 연금술사가 꿈을 이루지 못하는 데 대한 원인입니다.
중성자는 양성자보다 원자의 화학적 특성과 정체성에 미치는 영향이 훨씬 적지만, 핵에 더하거나 빼는 것이 매우 단단하게 결합되어 있기 때문에 똑같이 어렵습니다. 중성자가 추가되거나 얻어지면 원자는 여전히 동일한 화학적 정체성을 유지하지만 질량이 약간 변하고 방사능과 같은 이상한 핵 특성을 얻을 수 있습니다.
그러나 전자는 양성자나 중성자보다 원자 내에서 움직일 수 있는 자유도가 훨씬 더 큽니다. 사실, 전자는 핵에서 입자를 떼어내는 데 필요한 에너지보다 훨씬 적은 에너지로 각각의 위치에서 떨어져 나갈 수 있습니다(심지어 원자를 완전히 떠날 수도 있습니다!). 이런 일이 일어나면 원자는 여전히 화학적 정체성을 유지하지만 중요한 불균형이 발생합니다. 전자와 양성자는 거리를 두고 서로 끌린다는 점에서 독특합니다. 거리를 두고 끌리는 이러한 인력으로 인해 마찰된 물체 사이에 인력이 발생하고, 전자는 원래 원자에서 떨어져 다른 물체의 원자 주위에 위치합니다.
전자는 다른 전자를 멀리 밀어내는 경향이 있고, 양성자는 다른 양성자와 마찬가지로 밀어냅니다. 양성자가 원자핵에서 결합하는 유일한 이유는 매우 짧은 거리에서만 효과가 있는 강한 핵력 이라는 훨씬 더 강한 힘 때문입니다 . 개별 입자 간의 이러한 인력/밀어내기 행동 때문에 전자와 양성자는 반대 전하를 갖는다고 합니다. 즉, 각 전자는 음전하를 띠고 각 양성자는 양전하를 띱니다. 원자 내에서 동일한 수로 존재하면 서로의 존재를 상쇄하여 원자 내의 순전하가 0이 됩니다. 이것이 탄소 원자의 그림에 전자가 6개 있는 이유입니다. 핵에 있는 6개 양성자의 전하를 균형 잡기 위해서입니다. 전자가 떠나거나 여분의 전자가 도착하면 원자의 순전하가 불균형을 이루고 원자 전체가 "전하"를 띠게 되어 근처의 대전된 입자 및 다른 대전된 원자와 상호 작용하게 됩니다. 중성자는 전자, 양성자 또는 다른 중성자에 의해 끌리거나 밀려나지 않으므로 결과적으로 전혀 전하를 갖지 않는 것으로 분류됩니다.
전자가 도착하거나 떠나는 과정은 특정 재료 조합을 서로 문지르면 정확히 일어나는 일입니다. 한 재료의 원자에서 나온 전자는 문지름으로 인해 각자의 원자를 떠나 다른 재료의 원자로 옮겨갑니다. 다시 말해, 전자는 벤저민 프랭클린이 가정한 "유체"를 구성합니다.
정전기란 무엇인가?
물체 사이의 이 "유체"(전자)의 불균형으로 인한 결과를 정전기 라고 합니다 . "정적"이라고 하는 이유는 변위된 전자가 한 절연체에서 다른 절연체로 옮겨진 후에도 고정된 상태를 유지하는 경향이 있기 때문입니다. 왁스와 양모의 경우, 추가 실험을 통해 양모의 전자가 실제로 왁스의 원자로 전달되었다는 것이 확인되었는데, 이는 프랭클린의 추측과 정반대입니다! 프랭클린이 왁스의 전하를 "음"으로, 양모의 전하를 "양"으로 지정한 것을 기념하여 전자는 "음"의 전하 영향을 받는다고 합니다. 따라서 원자가 과도한 전자를 받은 물체는 음전하 를 띠고 , 원자에 전자가 부족한 물체는 양전하 를 띠고 있다고 합니다 . 이러한 명칭이 아무리 혼란스러워 보이더라도 말입니다. 전기 "유체"의 진정한 본질이 발견될 무렵, 프랭클린의 전기 전하 명명법은 쉽게 바꿀 수 없을 만큼 확립되어 있었고, 오늘날까지도 그대로 유지되고 있습니다.
마이클 패러데이는 (1832) 정전기가 배터리나 발전기에서 생성되는 정전기와 동일하다는 것을 증명했습니다. 정전기는 대부분 귀찮은 일입니다. 검은 화약과 무연 화약에는 정전기로 인한 발화를 방지하기 위해 흑연이 첨가되어 있습니다. 민감한 반도체 회로에 손상을 입힙니다. 정전기의 고전압 및 저전류 특성으로 구동되는 모터를 생산하는 것은 가능하지만 경제적이지 않습니다. 정전기의 몇 가지 실용적인 응용 분야로는 제로그래픽 인쇄, 정전기 공기 필터, 고전압 반 데 그라프 발전기가 있습니다.
검토:
- 모든 물질은 원자 라고 불리는 작은 '구성 블록'으로 이루어져 있습니다 .
- 수소 의 프로튬 동위 원소(1H1 ) 를 제외하고 모든 자연 발생 원자에는 전자 , 양성자 , 중성자 라고 하는 입자가 포함되어 있습니다.
- 전자는 음(-)의 전하를 가지고 있습니다.
- 양성자는 양전하(+)를 띤다.
- 중성자는 전하를 띠지 않습니다.
- 전자는 양성자나 중성자보다 훨씬 쉽게 원자에서 분리될 수 있습니다.
- 원자핵 속 양성자의 수는 원자가 독특한 원소라는 정체성을 결정합니다.