​일렉트릭 라이프

2. 고통을 부르는 정전기

 

  앞에서 자유전자(음전하)와 전공(양전하)에 대해 알아보았습니다. 우리가 말하는 전기현상이라 함은 바로 음전하, 즉, 자유전자의 이동에 관련된 것입니다.


  오늘은 정전기에 대해 이야기 해볼까 합니다. 아마도 우리의 일상생활 속에서 가장 많이 접하는 전기현상 중 하나가 바로 정전기 아닐까요? 실내에 들어와 겨울철 니트를 벗을 때, 반가운 지인을 만나 악수를 할 때, 문을 열기 위해 문고리를 만질 때 등등 주로 여름철보다는 겨울철에 극강의 고통을 선사하는 정전기, 과연 어떤 놈이길래 이리도 고통스러운 건지...


  정전기를 이해하기 위해서는 먼저 ‘대전(electrification)’이라는 현상을 이해해야 합니다. 대전이라는 용어적 의미는 전기를 띠게 됨을 말합니다. 다시 말해서, 전기적 중성(양성자와 전자의 수가 같은 경우)인 원자로 이루어진 물체가 외부로부터 전자를 얻게 되면 전자가 양성자보다 많아져서 전기적으로 음성(-)을 띠게 되고, 외부로 전자를 잃게 되면 전자가 양성자보다 적어져서 전기적으로 양성(+)을 띠게 됩니다. 이런 경우를 ‘물체가 음성(-) 혹은 양성(+)으로 대전되었다.’라고 말하고, 대전된 물체를 대전체라고 부릅니다.


  그러면 물체는 어떻게 대전되는 걸까? 물체를 대전시키는 여러 방법 중에서 우리가 가장 쉽게 접할 수 있는 방법이 바로 ‘마찰에 의한 대전’입니다. 머리를 여러 번 빗은 플라스틱 빗 혹은 옷에 여러 번 문지른 책받침을 머리에 갖다 대면 머리카락이 끌려 오는 현상이 바로 그것입니다. 앞서 전기적으로 중성을 띤 원자에 외부에너지가 더해서 전자가 원자핵의 인력으로부터 자유로워지는 현상을 말한 바가 있는데, 바로 외부에너지로 마찰에너지가 사용되는 경우입니다. 예를 들어 아래의 그림과 같이 털가죽으로 플라스틱 빨대를 문지르는 경우, 마찰에 의한 열에너지로 인해 자유전자가 만들어지고, 두 물체의 접촉면을 따라 자유전자는 플라스틱 빨대로 이동하게 됩니다. 결과적으로 플라스틱 빨대는 자유전자가 많아지게 되어(즉, 음전하가 많아지게 되어) 음성(-)으로 대전되고, 털가죽에는 그만큼의 자유전자를 잃게 되어(즉, 양전하가 많아지게 되어) 양성(+)으로 대전되는 거죠.

글 ​조수환

그림 김준곤

2020년 08월 29일

그림 1. 정전기

  여기서 중요한 것은 플라스틱 빨대와 털가죽은 모두 부도체라는 사실입니다. 부도체에서는 음전하의 이동이 자유롭지 못하므로 음전하와 양전하는 각각 플라스틱 빨대와 털가죽에 머무르게 되는데 이렇게 정지한 상태의 전하를 우리는 ‘정전기(靜電氣, static electricity)’​라고 부릅니다.


  그럼 실생활에서 자주 경험하게 되는 정전기 현상에 대해서 좀 더 살펴보겠습니다.


  우리가 실생활에서 경험하는 정전기 현상은 몇 가지로 정리할 수 있는데, 그 첫 번째는 (-)대전체에 인체가 접촉되면서 음전하가 인체로 흐르는 경우입니다. 사람의 몸은 도체이기 때문에 전기적으로 중성인 인체가 (-)대전체에 접촉하는 경우, (-)대전체에 있던 음전하가 몸으로 이동하게 됩니다. 이 때, 인체가 땅과 분리(예를 들어, 신발을 신고 있는 경우)가 되어 있으면, (-)대전체에 있던 음전하가 몸과 대전체에 골고루 퍼지게 되고, 만일 인체가 땅과 접촉(예를 들어, 맨발인 경우)가 되어 있으면, (-)대전체에 있던 음전하가 인체를 거쳐 땅으로 흡수되게 됩니다. 따라서 이 경우에는 맨발이 더 위험할 수 있겠죠.

그림 2. 정전기와 인체

  이런 현상을 방지하기 위해서 우리는 ​접지(earth 혹은 ground)​라는 방법을 사용합니다. 대전되기 쉬운 물체를 평소 땅과 연결해서 여분의 음전하를 미리 땅으로 보냄으로써 대전이 되지 않도록 방지하는 원리입니다. 이는 누전에 의한 감전사고를 방지하는 데도 사용됩니다.

  땅(지구)은 여러 이온들과 물이 혼합된 도체이며 그 크기가 실로 매우 크기 때문에 전자를 무한대로 흡수할 수 있습니다. 무한대의 물을 흡수할 수 있는 스폰지가 바로 지구인거죠.


  그럼 정전기 사고를 막아주는 용도의 접지 설비를 우리 주위에서 한 번 찾아볼까요? 아마 지금 이 순간, 우리 시야에도 있는 물건일 겁니다. 그것은 바로...플러그와 콘센트​!!

아래의 그림에서 왼쪽이 콘센트(2구 콘센트, 플러그 2개를 동시에 체결할 수 있어서 2구라고 부르죠), 오른쪽이 플러그입니다. 뭐 워낙 익숙한 물건이라 어렵지 않죠?

  자 이제 콘센트에 플러그를 끼워 보겠습니다. 소위 돼지코라 불리는 부분에 플러그를 방향에 상관없이(이 부분은 나중에 교류 부분에서 다루겠습니다.) 끼워 넣으면 끝!! 그런데 콘센트의 돼지코 부분 위아래로 살짝 튀어나온 금속부분(빨간 동그라미)이 보이죠? 이건 과연 뭘까요? 그 부분이 플러그에 맞닿는 부분도 있겠죠? 플러그를 자세히 들여다보면 접지 표시()가 보입니다. 전기제품 내부에 접지 단자가 플러그의 접지부까지 연결되어 있는 거죠. 따라서 플러그를 콘센트에 끼워 넣는 순간, 그 부분이 콘센트의 접지부에 자연스럽게 연결됩니다. 그럼 콘센트의 접지는 어떻게 연결되어 있을까요? 콘센트 덮개를 열어보면(이건 위험하니까 차단기를 내리기 전에는 절대 열어보지는 마세요) 전선 세 가닥이 보일텐데 그 중 초록색 전선이 바로 접지선입니다. 이 접지선은 가정 내 분전반을 통해 땅으로 연결되도록 전기공사가 되어 있습니다. 결국, 우리가 전기제품을 사용하기 위해서 전원 플러그를 콘센트에 꽂는 순간, 전기제품의 접지부가 땅과 연결되어 전기제품이 대전되는 것을 막음으로써 안전하게 사용할 수 있는 거죠.


  실생활에서 경험하는 정전기 현상, 그 두 번째는 바로, 인체가 대전된 상태에서 도체에 접촉함으로써 정전기가 발생하는 경우입니다. 악수를 하면서 경험하는 정전기, 문고리를 잡으면서 경험하는 정전기가 바로 이런 현상입니다. 위의 첫 번째 경우에서 얘기한 대로라면 인체가 대전되지 않도록 하는 것이 이런 류의 정전기를 방지하는 방법이 되겠지요? 그 대표적인 예가 바로 주유소에서 볼 수 있는 정전기패드입니다. 우리가 주유를 하기 전에 제일 먼저 해야 하는 것이 바로 정전기패드에 손바닥을 갖다 대는 일입니다. 위에서 말한 대로 정전기패드는 땅과 연결되어 있으며 손바닥을 접촉시킴으로써 접촉면을 넓게 하여 정전기에 의한 충격을 완화하는 동시에 인체에 쌓인 전하를 땅과 교환함으로써 인체를 전기적 중성으로 만들어 줍니다. 이를 통해 정전기 방전 시 발생하는 아크(불꽃)가 유증기와 만나 폭발하는 화재사고를 미연에 방지할 수 있는 거죠.


  실생활에서 경험하는 정전기의 마지막 유형은 바로 겨울철 니트를 벗을 때 경험하는 정전기입니다. 이는 생활 중 몸과 니트 사이의 마찰에 의해 각각 대전된 상태에서, 몸과 니트가 분리되면서 발생하는 정전기 방전 현상입니다. 이를 방지하기 위해서 우리는 정전기 방지 스프레이를 사용합니다. 물이라는 도체를 통해 대전체 간의 전도를 미리 일어나게 하여 전하가 골고루 퍼지게 만들어 대전되는 전하량을 줄여주는 원리인거죠. 따라서 평소 충분한 수분의 흡수를 통해 건조하지 않게 만들어주는 것도 이러한 정전기를 줄이는 좋은 방법입니다. 습한 여름철보다 건조한 겨울철에 정전기를 더 많이 경험하게 되는 것도 결국 이러한 이유 때문입니다.

© 조수환(글), 김준곤(그림)

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