정전기의 비밀! 스티로폼과 종이 조각으로 해보는 재미있는 실험 (유전체 분극)
안녕하세요! 과학 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 흥미진진한 실험의 연속이죠!
손 하나 까딱하지 않았는데 가벼운 물체가 둥실 떠오르며 다가온다면? 마치 SF 영화 속 초능력 같지만, 사실 이건 우리에게 아주 친숙한 정전기가 가진 신기한 힘이랍니다. 겨울철 스웨터를 벗을 때 들리는 따닥! 소리나 풍선에 머리카락이 쭈뼛 서는 바로 그 현상이죠. 오늘은 우리 주변의 정전기가 왜 물체를 끌어당기는 마법의 힘이 되는지, 그 비밀을 함께 파헤쳐 볼까요?
마이크로 세계의 대이동! 정전기의 정체는?
애초에 정전기는 물체끼리 서로 마찰할 때 발생합니다. 우리 주변의 모든 물질은 원자라는 아주 작은 알갱이로 이루어져 있고, 그 안에는 플러스(+) 전기와 마이너스(-) 전기(전자)가 들어있죠. 두 물체가 문질러지면 한쪽에서 다른 쪽으로 전자가 이사를 갑니다. 이때 물질마다 전자를 내뿜기 쉬운 성질과 받기 쉬운 성질이 있는데, 이 순서를 정리한 것이 바로 대전열입니다.
참고: 대전열
저서 『과학검정 공식 문제집 5·6급』 (고단샤)
예를 들어 고무풍선을 티슈나 천으로 문지르면 대전열의 순서에 따라 천에서 풍선으로 전자가 이동합니다. 그 결과 전자를 듬뿍 받은 풍선은 마이너스로, 전자를 잃어버린 천은 플러스로 대전(전기를 띰)됩니다.
실험 시작! 정전기로 스티로폼을 조종해 보자
그럼 마이너스로 대전된 풍선을 전기적으로 중성인(플러스도 마이너스도 아닌) 스티로폼에 가까이 가져가 볼까요?
보시는 것처럼 착! 하고 달라붙었습니다.
여기서 한 가지 재미있는 수수께끼가 있습니다. 풍선에 전자를 뺏겨서 플러스로 대전되었을 천을 가까이 가져가도… 짜잔, 이번에도 스티로폼이 달라붙습니다.
신기하지 않나요? 왜 마이너스인 풍선도, 플러스인 천도 똑같이 스티로폼을 끌어당기는 걸까요?
수수께끼를 푸는 열쇠는 유전 분극!
이 현상의 비밀은 유전 분극이라는 현상에 숨어 있습니다. 전기적으로 중성인 스티로폼이라도 원자 안에는 플러스와 마이너스 전기가 공존합니다. 평소에는 얘들이 제각각 다른 방향을 향하며 균형을 잡고 있죠.
여기에 마이너스로 대전된 풍선을 가까이 대면 어떻게 될까요? 마이너스 전기(전자)는 풍선의 마이너스 기운과 서로 밀어내기 때문에, 원자 안에서 풍선과 먼 쪽으로 밀려납니다. 그 결과 풍선과 가까운 쪽에는 상대적으로 플러스 전기가 고개를 내밀게 됩니다.
풍선의 마이너스와 스티로폼 표면의 플러스가 서로 당기기 때문에 착 달라붙는 것이죠. 반대로 플러스 천을 대면 이번에는 전자가 끌려와서 천 쪽이 마이너스가 되어 역시 서로 당기게 됩니다. 즉, 상대가 플러스든 마이너스든 전기가 통하지 않는 물질 내부를 정렬시켜서 무조건 끌어당기게 만드는 것이 바로 유전 분극의 놀라운 능력입니다!
쓰레기가 춤을 춘다? 종이 조각으로 만드는 아트
이 힘을 이용하면 더 재미있는 놀이가 가능합니다. 학교 분쇄기에서 나온 종이 가루나 잘게 자른 색종이 등, 쓰레기라고 생각했던 것들이 멋진 실험 도구로 변신합니다!
전기를 띤 풍선을 가까이 가져가 보죠. 그 모습을 영상으로 확인해 보세요.
어떠셨나요? 종이 조각들이 움찔거리며 일어서더니 마치 살아있는 것처럼 풍선으로 빨려 들어갑니다. 달라붙은 뒤에 종이 조각들이 방사형으로 빳빳하게 서 있는 게 보이시나요? 이것은 눈에 보이지 않는 전기의 힘이 흐르는 길인 전기력선을 따라 정렬되었다는 증거입니다. 정전기가 만든 예술 작품 같죠.
참고로 같은 곳에 자석을 가져가면 종이 조각은 전혀 반응하지 않습니다. 이걸로 전기의 힘과 자석의 힘은 완전히 다르다는 것을 한눈에 알 수 있습니다.
원리를 알아도 볼 때마다 신기한 이 현상, 꼭 집에서 한번 따라 해 보세요!
【상급편】 정전기 머신으로 즐기는 더 놀라운 실험!
이 실험 외에도 반데그래프라는 정전기 발생 장치를 사용하면 머리카락이 하늘 위로 솟구치거나 물체가 공중에 둥둥 뜨는 등 훨씬 역동적인 실험이 가능합니다. 이 중 일부는 유명 연예인들과 함께 TV 프로그램에서 선보이기도 했는데요. 자세한 내용은 아래 특집 페이지를 확인해 주세요!
주의: 정전기 발생 장치(반데그래프)를 이용한 실험은 매우 위험할 수 있습니다. 반드시 전문가의 입회하에 진행해야 합니다. 정전기 실험 관련 의뢰(실험 교실, TV 자문 및 출연 등)는 이곳으로 부탁드립니다.
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