휴지로 문지르기만 하면 OK! ‘움직이는 빨대’로 배우는 플러스와 마이너스 정전기의 과학
과학 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠!
겨울이 되면 문고리를 잡을 때 ‘찌릿!’하고 정전기가 통하는 경험 해보셨죠? 손가락 끝에 느껴지는 그 작은 충격! 건조한 겨울철에 흔히 발생하는 익숙한 현상인데요. 사실, 그 ‘찌릿!’의 정체는 눈에 보이지 않는 강력한 ‘전기의 힘’이랍니다. 만약 그 보이지 않는 힘을 내 손으로 직접 다룰 수 있다면… 정말 재미있지 않을까요?
이번에 소개해 드릴 실험은 바로 이 정전기의 힘을 이용해 마치 빨대에 마법을 거는 듯한 ‘움직이는 빨대’ 실험입니다. 특별한 도구는 거의 필요 없어요. 정전기의 신기한 세계를 함께 경험해 봅시다!
준비물
나무 조각, 못, 구부러지는 빨대, 티슈 (※영상에서는 풍선도 사용하지만, 일단 티슈만으로도 충분합니다!)
실험 방법
１ 나무 조각에 못을 박아 넘어지지 않도록 받침대를 만듭니다.
２ 구부러지는 빨대를 살짝 구부려 못 머리 위에 조심스럽게 올려 균형을 잡습니다. 이제 빨대가 자유롭게 회전할 수 있게 됩니다.
３ 드디어 마법을 부릴 준비! 먼저 못 위에 올려둔 빨대를 티슈로 아주 잘 문질러 주세요. 그다음, 문지른 티슈 자체를 빨대에 천천히 가까이 대어 봅시다. 추가로, 풍선이 있다면 풍선도 티슈로 문지른 다음 빨대에 가까이 가져가 보세요.
빨대는 어떤 반응을 보일까요?
이 영상을 통해 실제 움직임을 확인해 보세요!
빨대는 왜 움직였을까? 보이지 않는 힘의 정체
빨대가 저절로 움직인 것처럼 보였지만, 물론 마법이 아닙니다. 이것은 ‘정전기’의 힘입니다. 물체와 물체가 서로 마찰하면 ‘전자’라는 아주 작은 전기 알갱이가 한쪽에서 다른 쪽으로 이동하게 됩니다. 이번 실험에서는 빨대와 티슈를 문질렀는데요. 이 두 물질은 티슈는 전자를 잃기 쉽고, 빨대는 전자를 얻기 쉬운 성질이 있습니다.
그 결과, 티슈는 전자가 부족한 ‘플러스(+)’ 상태가 되고, 빨대는 전자가 너무 많은 ‘마이너스(-)’ 상태가 됩니다. 이렇게 전기가 한쪽으로 치우쳐진 상태가 되는 것을 ‘대전(帶電)’이라고 합니다. (참고로, 고무 풍선도 티슈로 문지르면 빨대처럼 전자를 쉽게 얻어 ‘마이너스(-)’로 대전됩니다.)
대전열 (대전 서열). 쿠와코 켄・타케다 준이치로 『과학 검정 공식 문제집 5・6급』(코단샤) 참고
위에 있는 그림은 ‘대전열’이라고 하며, 물질마다 ‘플러스가 되기 쉬운지, 마이너스가 되기 쉬운지’를 순서대로 나열한 것입니다. 어떤 물질끼리 문지르느냐에 따라 무엇이 플러스가 될지 결정되는 것이죠. 자, 전기에는 아주 중요한 규칙이 있습니다. 그것은 바로…
- 같은 종류 (플러스와 플러스, 마이너스와 마이너스)는 서로 밀어낸다 (척력)
- 다른 종류 (플러스와 마이너스)는 서로 끌어당긴다 (인력)
는 성질입니다. 자석의 N극과 S극 관계와 비슷하죠? 그래서 마이너스로 대전된 빨대에, 똑같이 마이너스로 대전된 풍선을 가까이 가져가면…?
맞습니다. 서로 “오지 마!”라고 외치듯 밀어냅니다. 빨대는 못 위에서 자유롭게 돌아가기 때문에 풍선에서 도망치려는 듯 움직이게 됩니다. 그럼, 마이너스로 대전된 빨대에, 이번에는 플러스로 대전된 티슈(빨대를 문질렀던 티슈)를 가까이 대면 어떻게 될까요?
이번에는 서로 끌어당깁니다! 빨대는 티슈에 이끌리듯 움직이죠. 이 실험을 통해 우리는 눈에 보이지 않는 ‘전기의 인력과 척력’을 빨대의 움직임을 통해 직접 경험할 수 있었던 것입니다.
가까이 대면 ‘갑자기’ 움직이는 이유는?
또 하나 흥미로운 점을 눈치채셨나요? 티슈나 풍선을 가까이 가져갈 때, 멀리 있을 때는 아무 일도 없다가 특정 거리까지 가까워진 순간 빨대가 ‘갑자기’ 빙글 돌며 움직였을 겁니다. 사실 이 정전기의 힘(쿨롱의 힘이라고 부릅니다)은 두 물체 사이의 ‘거리’와 아주 깊은 관계가 있습니다.
이 공식이 나타내는 것을 아주 쉽게 말하면, ‘가까워지면 가까워질수록 폭발적으로 힘이 강해진다’는 것입니다. 예를 들어, **거리가 절반(1/2)이 되면 힘은 무려 4배(2×2)**가 됩니다. **거리가 3분의 1이 되면 힘은 9배(3×3)**가 되는 거죠! 그래서 멀리서 가까이 대는 동안에는 힘이 너무 약해 빨대가 움직이지 않다가, 어느 한 지점(거리)을 넘어선 순간 빨대를 움직이기에 충분한 강한 힘이 ‘갑자기’ 발생하여 움직이기 시작한 것처럼 보인 것입니다.
정전기 발생 머신을 사용하면 이렇게 재미있는 실험을!
손으로 문지르는 것만으로도 재미있는 정전기이지만, 전용 ‘정전기 발생 머신 (반데그라프)’을 사용하면 더욱 강력하고 놀라운 실험을 할 수 있습니다. 이 외에도 정전기 머신(반데그라프)을 이용한 재미있는 실험들을 공개하고 있습니다.이 실험에는 히로세 스즈, 스즈키 료헤이, 야스코, 초콜릿 플래닛의 오사다, 마츠오 씨 등과 TV 프로그램에서 진행했던 실험도 포함되어 있습니다.자세한 내용은 여기를 참고하세요.
※ 참고로, 정전기 발생 장치(반데그라프)를 이용한 실험은 반드시 전문가의 입회 하에 진행해 주십시오. 안전에 유의하여 시도해 주시기 바랍니다. 또한, 정전기 실험 관련 문의(실험 교실, TV 자문/출연 등)는 여기로 부탁드립니다.
【특집】멈출 수 없는! 정전기 실험
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