검전기를 사용한 정전기 유도(펌)

[그림자]

검전기를 사용한 정전기 유도

 

1. 개관

  여름철 먹구름 사이에 번쩍이는 천둥, 번개는 무섭고도 신기한 일이다. 어떻게 하늘에서 번개 불꽃과 천둥소리가 날까 ? 또, 서로 접촉하지 않고 물체를 대전시킬 수 있을까? 이것은 전하들 사이에 작용하는 정전기유도 현상으로 대전체와 가까운 쪽은 다른 전하가 먼 쪽은 같은 전하가 모이는 현상이다. 검전기의 구조와 검전기를 사용한 정전기 유도현상을 탐구해 보자.

2. 탐구목표

가. 도체와 부도체의 정전기 유도 현상을 알 수 있다.

나. 검전기의 구조와 원리를 알 수 있다.

【 준비물 】비커, 스탠드, 검전기☞검전기보기, 모피, 명주 천, 에보나이트막대, 유리막대, 종이조각, 금속막대, 회전받침대

3. 지도상의 유의점

가. 습기가 많은 날( 습도 70%이상 )이나 비오는 날은 공기 중으로 방전되어 실험이 되지 않으니 피한다. 꼭, 실험을 해야할 경우는 전기 난로 앞에서 실험을 한다.

나. 실험 기구 및 재료가 건조된 상태에서 실험을 한다.

4. 탐구활동과정

가. 에보나이트 막대를 모피로 마찰하여 에보나이트 막대를 (-)전하로 대전시킨 후 검전기에 접근 시켜본다. ☞결과보기

  (1) 금속판에 대전된 전하의 종류는 ?

  (2) 금속박의 모양은 어떻게 되는가? 또, 금속박에 대전된 전하의 종류는 무엇인가?

나. 에보나이트 막대를 사용하여 검전기에 (+)전하를 모으는 방법을 탐구해보자.☞결과보기

  (1) 다음 과정에 따라 실험을 하면서 검전기의 금속판과 금속박에 있는 전하를 관찰하여 기록한다.

(가) (-)로 대전된 에보나이트 막대를 검전기의 금속판에 접근시킨다.  금속박의 모양의 변화와 금속판과 금속박에 대전된 전하의 종류는 무엇인가 ?

(나) (-)로 대전된 에보나이트 막대를 검전기의 금속판에 접근시킨 상태로 다른 쪽 손가락으로 금속판에 접촉시키면(접지) 금속박의 모양이 어떻게 되는가? 또, 금속판과 금속박에 대전된 전하의 종류는 무엇인가 ?

(다) 손가락을 금속판에서 떼면서 에보나이트 막대도 금속판에서 멀리 한다. 금속박의 모양의 변화와 금속판과 금속박에 대전된 전하의 종류는 무엇일까 ?

(라) 실험결과 그림(다)의 검전기에 모아진 전하의 종류를 알아보려고 할 때는 어떻게 하면 좋을까 ?

다. 그림처럼 도체인 금속막대를 비커에 올려놓고 (-)로 대전된 플라스틱막대를 접근 시켜보면서 정전기유도 현상을 알아본다.☞정전기유도 현상

라. (+) 또는 (-)로 대전된 금속막대에 (-)로 대전된 에보나이트 막대를 접근 시켜보자. 그러면서 A 와 B쪽의 운동상태를 관찰하여 발표 해 보자. ☞결과

  

5. 결과정리 및 토의

가. 전하의 종류는 양전하(+)와 음전하(-)가 있으며 전하 사이에 작용하는 힘은 서로 다른 전하들 사이에는 당기는 힘(인력)이, 같은 전하 사이에는 미는 힘(척력)이 작용한다.

나. 모피와 에보나이트 막대를 마찰시키면 마찰에 의해서 모피의 (-)전하가 에보나이트 막대로 이동하여 모피는 전자가 부족하여 (+)로 대전되고 에보나이트 막대는 (-)전하가 많아져서 (-)로 대전된다.  이때 전하의 한쪽에서 다른 쪽으로 옮겨갈 뿐이고, 새로 만들어지거나 없어지지 않고 전하량은 보존된다.

다. 대전된 물체를 대전되지 않은 도체에 접근시키면 가까운 쪽은 반대 전하가 먼 쪽은 같은 전하가 대전되는 현상을 정전기유도☞원위치라 한다. 정전기 유도 현상에는 도체의 정전기유도와 부도체의 정전기유도 현상(유전 분극)이 있다.

(1) 도체의 정전기유도는 원자핵 주변의 자유전자가 그림과 같이 대전체 쪽으로 (-)전하가 직접 이동하여 대전되는 현상이다.

(2) 부도체의 정전기유도(유전분극)는 종이처럼 가벼운 부도체에 그림처럼 (-)로 대전된 물체를 접근시키면 부도체는 자유전자는 없으나 분자내의 전자가 영향을 받아 극성을 띠게되고 이 극성을 띤 분자들이 힘을 받아 가까운 쪽은 (+)로 대전되고, 중간 부분은 서로 상쇄되어 중성으로, 먼 쪽은 (-)로 대전되어 인력에 의해 가벼운 종이가 대전체에 달라붙는다.

6. 참고자료

가. 물줄기가 휘는 현상

  물줄기가 휘는 현상도 정전기유도 현상이다. 극성을 띠는 물분자가 대전된 대전체에 의해 인력을 받아 대전체 쪽으로 휘어지는 현상이다.

나. 천둥과 번개

     여름철 천둥과 번개도 정전기유도 현상이다. 번개가 만들어지는 과정은 구름이 형성될 때

    활발한 상승기류로 인하여 물방울이 서로 결합하여 큰 입자로 되고, 상공으로 감에 따라 온도가 낮아져 얼어붙게 되어 얼음 입자로 변한다. 이들 중 작은 얼음 입자는 위로 날아가지만 큰 입자는 그 무게 때문에 상승기류에 지탱할 수 없게 되어 아래로 낙하한다.

    이들이 떨어지면서 마찰이나 충돌 등의 복잡한 운동에 의해 ＋전하를 가진 부분과 －전하를 가진 부분으로 대전된다. 이들 중 일부는 낙하도중에 녹아서 강한 비를 내리기도 한다. 전하의 분포는 구름의 상부에는 ＋로, 아래 부분은 －로 된다. 이때 대량의 전하가 만들어지므로 구름들끼리의 방전이나 낙뢰가(번개) 발생한다. 지표의 ＋전하는 구름의 아래쪽에 있는 －전하에 의해 유도되어 생긴 것이다.

다. 정전기유도 현상의 이용 사례

(1) 공장의 굴뚝에서 나오는 연기에는 먼지와 재 등의 작은 입자가 있는 데 굴뚝 중앙에 여러 개의 전선을 설치하고 (+)전기를 걸어주어 먼지와 재를 대전시켜 주변에 설치된 철판에 달라붙게 한다.

(2) 자동차에 페인트를 칠할 때 페인트가 분사되는 노즐에 (+)전기를 걸어주어 페인트가 (+)전하로 대전되어 자동차 차체에 페인트가 잘 달라붙게 된다.

(3) 복사기의 원리는 원통드럼에 빛으로 복사될 부분만 (+)전하로 대전시키고, (-)전하로 대전된 토너가루가 달라붙게 한 다음, 다시 (+)로 대전된 종이가 지나가게 됨으로써 (-)토너가 종이에 달라붙어 복사가 된다.

 <하이퍼텍스트 자료>

가. < 검전기의 구조1>

☞원위치

나. < 결과보기 2 >

 (1) 금속판은 (+)로 대전된다.

 (2) 금속박이 (-)로 대전되어 척력에 의해 벌어진다. (-)전하. ☞원위치

다. < 결과보기3 >

☞원위치

(가) 금속박은 (-)로 대전되어 벌어지고, 금속판은 (+)로 대전된다.

(나) 금속박에 있던 (-)전하들이 접지 된 손을 따라 이동하여 금속박은 중성이 되어 오므라들고 금속판은 (+)로 대전된 상태를 유지한다.

(다) 중성인 금속박에 있던 (-)전하의 일부가 전자가 많이 부족한 금속판으로 얼마간 이동하여 금속판과 금속박이 모두 (-)전하가 부족한 (+)전하로 대전된다. 금속박은 (+)전하의 척력에 의해 벌어진다.

(라)⇒(바) (-)로 대전된 대전체를 다시 검전기에 접근시키면 (+)로 대전된 금속판에 있던 (-)전하가 금속박으로 이동하여 금속박은 중성이 되므로 오므라들고 금속판은 더욱 더 (-)전하가 부족한 (+)전하로 대전된다.

라. < 결과보기4 >

금속막대의 A 부분이 대전체 전하의 종류에 관계없이 서로 다른 전하가 유도되어 인력에 의해 대전체가 움직이는 쪽으로 회전한다