전기력

전기력

■ 복사기의 발명 

위대한 발명품 중 복사기는 1936년에 미국의 조그만 전자회사 특허부에 직원으로 있던 체스터 칼슨에 의해 만들어졌습니다. 칼슨은 대학에서 물리학을 전공하였는데 그의 회사에서 업무는 원본 서류의 사본을 여러 개 만드는 일이었습니다. 복사기라는 것이 없던 시절이니 칼슨은 밤을 새워 원본 서류와 똑같은 그림을 그리고 글을 쓰는 일을 반복하였습니다. 늘 앉아서 서류를 베끼는 일만 하는 칼슨은 ‘효율적으로 작업할 수 없을까’라는 고민을 하게 되었고 전공에서 배운 정전기와 빛의 성질을 이용하여 복사기를 발명하게 되었답니다.

■ 전기력이란 무엇일까요? 

우리 주변의 여러 물체들 중에는 전하를 가지고 있는 물체가 있습니다. 이러한 전하를 갖고 있는 물체 사이에서 전하의 종류에 따라 서로 끌어당기거나 밀어내는 힘이 발생하는데, 이러한 힘을 바로 전기력이라고 합니다. 전하는 양(+) 전하와 음(-) 전하로 나뉘는데, 이 때 서로 같은 전하끼리는 밀어내고, 다른 전하끼리는 끌어당기는 힘이 발생하는 것입니다. 우리가 잘 알고 있는 자기력과 그 성질이 비슷하지요? 자기력과 마찬가지로 전기력 또한 두 전하의 거리가 멀수록 약해지고, 가까울수록 강해집니다. 또한 물체가 가지고 있는 전하의 양이 많을수록 전기력도 강해지는 성질을 가지고 있습니다.

■ 정전기 유도의 원리 

전기는 전자 또는 이온들의 움직임으로 인해 생기는 에너지의 형태입니다. 정(靜)전기란 흐르지 않고 그냥 머물러 있는 전기를 말합니다. 이렇게 흐르지 않고 정지 상태에 있는 전기를 어떻게 움직이게 할 수 있을까요? 그 방법은 아주 간단합니다. 바로 전하의 성질을 이용하는 것인데요, 전기적으로 중성인 금속 막대에 전기적으로 음(-)의 성질을 띠는 막대를 가져가면, 같은 전하는 서로 밀어내고, 다른 전하는 서로 끌어당기는 전하의 성질에 의해 전하가 움직이게 됩니다. 이렇게 전하의 성질을 이용하여 어떤 물체에 전기적 성질을 띠는 물체를 접촉하지 않고, 가까이 가져가는 것을 정전기 유도라고 말하는 것입니다.

▲ 정전기 유도(출처: 에듀넷)

■ 복사기의 원리 

복사기는 복사할 종이에 강력한 빛을 쪼이면 종이에 빛이 닿았다가 드럼 쪽으로 반사됩니다. 드럼 표면에는 반도체인 셀레늄이라는 물질이 발라져 있는데 셀레늄은 평상시에는 (+)전기를 띠지만 빛을 받으면 (-)전기를 띠는 성질이 있습니다. 글자가 없는 여백에 반사된 빛이 드럼에 닿으면 (-)전기를 띠는 것입니다. 그러나 글자 부분은 빛이 반사하지 않아 (+)전기 그대로 남아 있게 됩니다. 토너(흑연가루)는 전기적으로 (-)전기를 띠게 만들어져 있는데 빛이 반사하지 않아 (+)전기를 띠는 글자 부분에 정전기에 의해 드럼에 달라붙게 됩니다. 그 후 종이를 드럼 아래로 통과시킬 때 종이 뒷면에서 강력한 (+)를 보내면 드럼에 붙어 있는 (-)의 토너가 다시 종이로 옮겨져 이미지가 형성됩니다.

▲ 종이 복사기의 원리(출처: 에듀넷)

토너 가루가 정전기에 의해 종이에 묻어 있지만 정전기가 없어지면 종이에서 떨어져 나가기 때문에 이를 방지하기 위해 이 종이를 높은 온도(180℃)의 롤러 사이로 통과시킵니다. 이때 토너가 열에 녹아 종이에 그대로 달라 붙어 있게 되는 것입니다. 복사한 종이가 따뜻한 이유도 뜨거운 롤러 때문이며 이 과정은 아주 짧은 시간에 이루어집니다.

▲ 복사 과정(출처: 에듀넷)

■ 공기 청정기의 원리(정전기) 

봄이 오면 미세 먼지, 황사 때문에 공기가 많이 나빠지고 있는데 실내에서 공기를 깨끗하게 하기 위해 공기 청정기를 많이 구입하여 사용합니다. 그러면 공기 청정기의 원리는 무엇일까요? 공기 청정기는 ‘집진식 공기청정기’, 정전기 원리를 이용하는 ‘이온식 공기 청정기’, 집진식과 이온식을 합친 ‘전기 집진식 공기청정기’ 등 크게 세 가지로 구분할 수 있습니다.

그 중 정전기의 원리를 이용한 공기 청정기의 원리를 알아봅시다. 정전기를 이용한 공기 청정기는 일정한 거리를 띄워 둔 전극에 고전압을 흘려 공중에 이온을 방전시켜 공기 중에 작은 입자에 부착시키는데 그 입자가 전기적으로 (-)를 띠도록 합니다. (-)의 정전기를 띤 먼지는 공기 청정기 내부에서 (+) 극의 집진된 곳으로 끌어당겨 입자를 제거하는 방식으로 (-)와 (+)의 인력을 이용하여 먼지를 제거합니다. 특징은 모터팬이 없어 조용하다는 것이 장점입니다. 그러나 팬이 없어 오랜 시간이 걸리고 좁은 공간에 사용하여야 효과가 있습니다. 공기 청정기가 (-)이온을 내보내기 때문에 상쾌한 실내 공기가 만들어집니다.

▲ (이온식) 공기청정기의 원리(출처: 에듀넷)

■ 생활 속 정전기 현상의 예 

정전기 유도로 인한 정전기 현상은 우리 생활 속에서도 자주 일어나고 있습니다. 일상생활 속에서 볼 수 있는 정전기 현상에는 주로 마찰에 의해 많이 발생하고 있습니다. 예를 들어 팽팽한 풍선을 털가죽으로 문지르면 털가죽에 있던 (-)전하가 풍선으로 이동하여 털가죽은 전기적으로 (+)전하를 띠게 되고, 풍선은 (-)전하를 띠면서 머물러 있게 되는 것이지요. 플라스틱 빗으로 머리를 빗으면 머리카락이 빗에 달라붙는 현상, 겨울철에 털이 많은 스웨터를 벗을 때 따끔한 것을 느꼈던 경험, 금속으로 된 문고리를 잡다가 따끔한 것을 느꼈던 경우 등 모두 정전기 때문에 일어난 일들입니다.

▲ 일상생활에서 자주 볼 수 있는 정전기 현상(출처: 에듀넷)

▲ 정전기의 원리와 정전기를 이용한 재미있는 실험(출처: 에듀넷)

[자료출처: 에듀넷]