‘찌릿!’의 정체를 밝혀라! 15만 볼트 반데그래프 발전기의 놀라운 비밀 대공개!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험이죠!
겨울이 되면 문고리를 잡는 순간 “따끔!”하고 아프거나, 스웨터를 벗을 때 “타닥타닥” 소리가 나는 경우가 있죠? 이 모든 현상은 물질이 전기를 모아두는 ‘정전기’의 소행입니다. 오늘은 이 정전기를 일부러 만들어내고 심지어 자유자재로 다루는(?) 기괴하면서도 정말 재미있는 과학 장치를 소개하려고 합니다.
“따끔!”을 마음대로 조종한다? 미스터리한 구체, 반데그라프
그 장치의 이름은 바로 “반데그라프(Van de Graaff)“입니다. 과학 실험실이나 박물관에서 은색 구체에 손을 댔더니 머리카락이 “붕!”하고 솟아오른 사람을 본 적 없으신가요? 바로 그겁니다. 이 조금은 외우기 힘든 이름은 사실 발명자인 로버트 제미슨 반 데 그라프(Robert Jemison Van de Graaff) 박사에게서 유래했어요.재미있는 점은, 이 장치가 처음부터 과학 교실용 장난감으로 만들어진 것이 아니라는 겁니다. 박사는 원자핵에 입자를 고속으로 충돌시키는 ‘입자 가속기’의 일부로 이 고전압 발생 장치를 개발했습니다. 즉, 원래는 원자의 세계를 탐구하기 위한 최첨단 연구 기기였다는 이야기죠. (관심 있는 분들은 “반 데 그라프 가속기“를 검색해 보시면 그 장엄함을 확인하실 수 있습니다!)(참고로, 에도 시대의 정전기 발생 장치 ‘에레키테루’의 원리는 여기에 정리해 두었습니다.)https://phys-edu.net/wp/?p=34689
15만 볼트의 세계!
자, 제가 개인적으로 가지고 있는 건 나리카(Narika) 사의 반데그라프입니다. 무려 최대 15만 볼트의 전압을 발생시킬 수 있죠 (가족 몰래 샀는데, 이 크기 때문에… 바로 들통났습니다).
15만 볼트라고 하면 “감전되면 위험한 거 아니야?!”라고 생각하실 수 있지만, 정전기는 전압(볼트)이 높아도 흐르는 전기량(암페어)이 아주 미미하기 때문에, ‘찌릿’하는 느낌만 있을 뿐 크게 위험하지는 않습니다. (물론 심장이 약한 분이나 심장 박동기를 사용하시는 분은 주의가 필요합니다!) 보통 정전기 실험은 겨울처럼 건조한 날이 아니면 성공하기 어려운데, 이 장치는 워낙 강력해서 습도가 높은 날에도 ‘타닥타닥’ 실험을 할 수 있습니다.
반데그라프를 사용하면 머리카락이 솟아오르거나, 전기를 모았다가 방전시키는 실험이 가능합니다. 예를 들어, 손으로 반데그라프에 접촉하면 몸에 전기가 쌓이고, 손가락 끝에서 방전되면서 “타닥!”하는 현상이 일어납니다. 이 원리를 잘 활용하면 재미있는 정전기 실험을 잔뜩 할 수 있죠!
의외로 단순하다? 반데그라프의 ‘내부’
왠지 마드 사이언스(기이한 과학) 장치처럼 보이는 반데그라프, 내부는 어떻게 생겼을까요? 사실 이 구체는 ‘찰칵’하고 열 수 있습니다. 자, 안을 들여다봅시다…
놀라셨나요? 네, 안에는 벨트 컨베이어 같은 것만 들어 있습니다. 제가 가지고 있는 나리카 사 반데그라프의 스펙을 홈페이지에서 확인해 보면…
고무 벨트의 롤러에 의해 발생한 정전기를 돔(집전구)으로 유도하여 축전시키고 고압 정전기를 발생시킵니다.● 발생 전압: 최대 약 15만V● 방전 거리 (약): 최대 110mm (습도 40% 시), 장마철 60mm 이상 (실측값)● 집전구: $\phi$ 약 215mm● 방전구: $\phi$ 약 115mm● 전원: AC100V 50/60Hz● 크기: 약 270$\times$210$\times$620mm (집전구), 약 150$\times$130$\times$490mm (방전구)● 무게: 약 5.6kg
라고 쓰여 있습니다.
반데그라프의 심장부! 전기를 ‘운반하는’ 놀라운 원리
반데그라프의 원리는 한마디로 “마찰로 전기를 만들고, 그것을 벨트로 운반하여 구체에 축적하는” 것입니다. 반데그라프 구체를 열어보면 안에 고무 벨트와 위아래 두 개의 롤러가 있었죠. 사실, 이 두 롤러의 ‘재질’을 다르게 한 것이야말로 반데그라프의 가장 큰 비밀입니다. 그럼 스위치를 켜는 순간부터 전기가 쌓일 때까지의 과정을 벨트 컨베이어의 움직임과 함께 살펴봅시다.
①【하단】문질러서 전기를 ‘만든다’ (마이너스 발생)
먼저, 벨트 컨베이어가 움직이기 시작하면 고무 벨트는 **하부 롤러 A (아크릴 수지)**와 강하게 마찰됩니다. 물질에는 서로 문질렀을 때 ‘플러스가 되기 쉬운지’ ‘마이너스가 되기 쉬운지’에 대한 성질의 순서가 있습니다. 이를 ‘대전열(帶電列)‘이라고 부릅니다.고무와 아크릴 수지의 경우, 아크릴 수지가 플러스로, 고무가 마이너스로 되기 쉬운 성질을 가집니다. 즉, 아크릴 수지에서 고무 벨트로 **마이너스 전기(전자)**가 이동하는 것이죠. 이로 인해 고무 벨트는 **마이너스(－)**로 대전됩니다.
②【상승】운반하여 전기를 ‘모은다’ (구체로)
마이너스(－) 전기를 잔뜩 짊어진 고무 벨트는 컨베이어처럼 위로 쭉쭉 올라갑니다. 그리고 상부 구체 내부에 있는 금속제 ‘집전판’에 도착합니다. 그러면 벨트가 운반해 온 마이너스 전기(전자)는 금속 집전판에 ‘타닥타닥’ 방전되듯이 옮겨갑니다. 전자는 금속 내부를 자유롭게 움직일 수 있으므로 순식간에 구체 전체로 퍼져 축적됩니다.
③【상단】문질러서 전기를 ‘리셋’한다 (플러스 발생)
자, 전기를 다 전달하고 ‘텅 빈’ 상태가 된 고무 벨트는 방향을 바꿔 아래로 내려갑니다. 그때 이번에는 **상부 롤러 B (염화비닐 수지)**와 마찰됩니다. 여기서 다시 ‘대전열’의 차례입니다! 이번 상대인 염화비닐 수지는 고무보다 “훨씬 마이너스가 되기 쉬운” 성질을 가지고 있습니다. 그러자 아까와는 반대로, 고무 벨트에서 염화비닐 수지로 마이너스 전기(전자)가 빼앗깁니다. 전자를 빼앗긴 고무 벨트는 상대적으로 플러스(＋) 전기를 띠게 됩니다.
④【하강】반대 전기까지 운반한다 (지지대로)
플러스(＋)로 대전된 고무 벨트는 그대로 하부로 내려갑니다. 그리고 하부에 있는 또 다른 집전판에 도착하면, 이번에는 플러스 전기를 그곳으로 옮깁니다. 이 플러스 전기는 반데그라프의 ‘지지대(밑판 부분)’로 축적됩니다.
⑤【반복】그리고 고전압으로…
벨트는 그대로 하부 롤러 A (아크릴 수지)에 닿아 다시 ①의 ‘마이너스(－)를 짊어지는’ 작업으로 돌아갑니다. 이 ‘① 마이너스를 운반 → ② 구체에 모음 → ③ 플러스를 운반 → ④ 지지대에 모음’ 사이클이 모터에 의해 고속으로 반복됩니다.이로 인해 상부 구체에는 마이너스(－) 전기가, 하부 지지대에는 플러스(＋) 전기가 계속해서 쌓이게 됩니다. 마이너스와 플러스가 서로 다른 장소에 대량으로 모이면서, 양쪽 사이에 ‘전기를 쓰고 싶다!’는 강한 힘(전압)이 생겨 15만 볼트라는 고전압이 되는 것입니다.
정전기는 단순히 문지르는 것뿐만 아니라, ‘재질 선택’과 ‘운반 원리’를 조합함으로써 이렇게 강력한 에너지를 만들어낼 수 있습니다. 정말 과학의 지혜가 담겨 있네요!
자주 오해하는 부분이 있는데, 콘센트에서 전자가 흘러 들어오는 것은 아닙니다. 의외로 원리는 단순해요. 어디까지나 모터를 움직이는 데 콘센트의 힘을 사용할 뿐, 전기 자체는 ‘마찰’로 만들어내고 있는 것이죠.
실험! 구체에 쌓이는 건 플러스? 아니면 마이너스?
역시 해봐야 알 수 있겠죠! 그래서 이 정전기 발생 장치, 상부 구체에는 $+$와 $-$ 중 어떤 전기가 대전되는지 직접 확인해 봤습니다.https://youtu.be/1u3jXRYnRg사용할 것은 ‘풍선’입니다. 
티슈 등으로 풍선을 문지르면 풍선은 마이너스로 대전됩니다
물질에는 전기적 성질인 ‘ $+$’와 ‘－’가 있는데, 서로 다른 물질을 문지르면 마이너스 전기(전자)가 이동하기 쉬운 성질이 있습니다. 풍선과 티슈의 경우, 전자는 티슈에서 풍선으로 이동하므로 풍선은 마이너스로 대전됩니다.자, 이제 이 마이너스 풍선을 스위치를 켠 반데그라프에 가까이 대 봅시다. 제가 사용하는 것은 나리카 사의 반데그라프입니다. 스위치를 켜고 풍선을 옆에 두자…
손을 떼자 밀어냈습니다.
풍선은 보기 좋게 반발했습니다! 과학의 기본 규칙, “같은 종류의 전기(－와 －, 또는 $+$와 $+$)는 서로 밀어내고, 다른 종류의 전기($+$와 －)는 서로 끌어당긴다”를 떠올려 보세요. 마이너스 풍선이 밀려났다는 것은, 이 반데그라프 구체에도 마이너스 전기가 쌓여 있다는 것을 알 수 있습니다!
【응용편】전기가 ‘도망간다’? 정전기 유도의 신비
여기서 흥미로운 실험 하나! 반데그라프 스위치를 끄고, 한번 손으로 구체에 접촉해서 전기를 방전시킵니다. 이로써 구체는 플러스도 마이너스도 아닌 ‘중성’ 상태(전기가 텅 빈 상태)가 되었을 겁니다. 자, 이 ‘텅 빈’ 구체에 아까 그 마이너스 풍선을 가까이 대면 어떻게 될까요?
놀랍게도 이번에는 풍선이 ‘쓱’하고 달라붙었습니다! 신기하죠? 구체는 텅 비어 있어야 하는데, 왜 마이너스 풍선을 끌어당기는 것일까요(＝플러스 성질을 보이는 것일까요)? 이것이 바로 “정전기 유도(靜電氣誘導)“라고 하는, 정전기 현상 중 가장 재미있는 현상 중 하나입니다.구체는 ‘금속’으로 되어 있습니다. 금속 안에는 자유롭게 움직일 수 있는 마이너스 전기(자유전자)가 잔뜩 있죠. 여기에 마이너스 풍선이 가까이 다가오면… “으악! 마이너스가 왔다!”하며 금속 안의 자유전자들이 풍선에서 가장 먼 쪽(이 사진에서는 제가 손으로 접촉하고 있는 쪽)으로 도망가는 것입니다.
구체 반대쪽으로 마이너스 전하가 이동 (제 몸을 타고 전자가 도망갔을 수도 있습니다)
그 결과, 풍선에 가까운 쪽은 전자가 없어져서 ‘플러스’ 상태가 됩니다. 그래서 마이너스 풍선과 서로 끌어당기는 것이죠. 이는 자로 문지른 머리카락이 전기를 띠지 않은 벽에 달라붙는 것과 같은 원리입니다.
정전기는 ‘왜?’의 보물창고
별것 아닌 것 같지만, 스위치가 ON일 때와 OFF일 때 풍선의 움직임이 ‘반발’에서 ‘달라붙는’ 것으로 바뀌는 것. 이처럼 우리 주변의 현상이 ‘왜’ 그렇게 되는지를 생각해 보는 것이 정전기 실험의 깊이이자 과학의 재미 그 자체입니다.겨울에 “따끔!” 했을 때, 그것은 전자(마이너스 전기)가 당신에게서 무엇인가로 뛰어넘었거나, 아니면 무엇인가에서 당신에게 뛰어들어 온 증거입니다. “아, 지금 전자가 이동했구나”라고 생각해 보는 것도 소소한 재미가 될 수 있습니다.
정전기 발생 머신(반데그라프)을 사용하면 이렇게 재미있는 실험을 할 수 있습니다!!
반데그라프를 사용한 재미있는 실험 영상도 공개하고 있습니다. 이 실험에는 히로세 스즈 씨, 스즈키 료헤이 씨, 야스코 씨, 초콜릿 플래닛의 오사다 씨, 마츠오 씨 등과 TV 프로그램에서 함께 진행했던 실험도 포함되어 있습니다. 자세한 내용은 여기를 참고하세요.
※ 정전기 발생 장치(반데그라프)를 이용한 실험은 반드시 전문가의 입회 하에 진행해 주십시오. 안전에 유의하여 시도해 주시기 바랍니다. 또한 정전기 실험 관련 의뢰(실험 교실 및 TV 감수/출연 등)는 여기로 부탁드립니다.
문의 및 의뢰에 대하여
과학의 신기함과 재미를 더 가깝게! 집에서 할 수 있는 즐거운 과학 실험과 그 노하우를 알기 쉽게 정리했습니다. 많이 검색해 보세요!・’과학의 지식 노트’ 내용이 책으로 나왔습니다. 자세한 내용은 여기・운영자 쿠와코 켄에 대해서는 여기・각종 의뢰(집필/강연/실험 교실/TV 감수/출연 등)는 여기・글 업데이트 정보는 X에서 배포 중!
과학 지식 채널에서 실험 영상을 스트리밍 중입니다!
