정전기

특정 유형의 재료는 함께 문지른 후 신비롭게 서로를 끌어당긴다는 것이 수세기 전에 발견되었습니다. 예를 들어, 실크 조각을 유리 조각에 문지른 후에는 실크와 유리가 서로 달라붙는 경향이 있습니다. 실제로 두 재료가 분리되어 있어도 발휘할 수 있는 인력이 있었습니다.

유리와 실크는 이와 같이 작용하는 것으로 알려진 유일한 재료가 아닙니다. 라텍스 풍선에 손을 대다가 겨우 붙으려는 것을 발견한 사람이라면 누구나 이와 같은 현상을 경험했을 것입니다. 파라핀 왁스와 양모 천은 초기 실험자들이 함께 문지른 후 매력적인 힘을 나타내는 것으로 인식된 또 다른 한 쌍의 재료입니다.

이 현상은 동일한 재료가 각각의 천으로 문지른 후 항상 서로 반발한다는 사실이 발견되었을 때 더욱 흥미로워졌습니다.

또한 실크로 문지른 유리 조각이 양모로 문질러진 밀랍 조각에 노출되었을 때 두 재료가 서로를 끌어당기는 것으로 나타났습니다.

또한 문지른 후 인력 또는 반발 특성을 나타내는 재료는 두 가지 범주 중 하나로 분류될 수 있음이 밝혀졌습니다. 유리에 끌리고 왁스에 반발하거나 유리에 반발하고 왁스에 끌립니다. 유리와 왁스 모두에 끌리거나 반발하는 물질, 또는 한쪽에 반응하지 않고 다른 쪽에는 반응하지 않는 물질이 발견되지 않았습니다.

문지르는 데 사용된 천 조각에 더 많은 주의를 기울였습니다. 두 개의 비단 천으로 두 개의 유리 조각을 문지른 후 유리 조각이 서로 반발할 뿐만 아니라 천도 밀어내는 것으로 나타났습니다. 왁스를 문지르는 데 사용되는 양모 조각에 대해서도 동일한 현상이 나타납니다.

자, 이것은 목격하는 것이 정말 이상했습니다. 결국, 이 물체들 중 어느 것도 문질러서 눈에 띄게 변경되지 않았지만 문지르기 전과는 확실히 다르게 행동했습니다. 이러한 재료를 서로 끌어당기거나 밀어내기 위해 어떤 변화가 일어나든 보이지 않았습니다.

일부 실험자들은 문지르는 과정에서 보이지 않는 "유체"가 한 물체에서 다른 물체로 옮겨지고 이 "유체"가 멀리 떨어진 곳에 물리적인 힘을 가할 수 있다고 추측했습니다. Charles Dufay는 특정 쌍의 물체를 함께 문지르면 두 가지 다른 유형의 변화가 일어난다는 것을 증명한 초기 실험가 중 한 사람입니다. 이러한 자료에 나타난 변화 유형이 두 가지 이상이라는 사실은 끌어당김이라는 두 가지 유형의 힘이 생성되었다는 사실에서 분명했습니다. 및 반감 . 가상의 유체 이동은 전하로 알려지게 되었습니다. .

한 선구적인 연구원인 벤자민 프랭클린은 문지른 물체 사이에 교환되는 유체는 단 하나뿐이며 두 개의 서로 다른 "전하"는 그 하나의 유체의 과잉 또는 부족에 불과하다는 결론에 도달했습니다. 왁스와 양모로 실험한 후 Franklin은 거친 양모가 매끄러운 왁스에서 이 보이지 않는 액체의 일부를 제거하여 양모에 과도한 액체가 생기고 왁스에 액체가 부족하게 된다고 제안했습니다. 그 결과 양모와 왁스 사이의 유체 함량 차이로 인해 유체가 두 재료 사이의 이전 균형을 되찾으려 할 때 인력이 발생합니다.

마찰을 통해 얻거나 잃는 단일 "유체"의 존재를 가정하면 관찰된 거동이 가장 잘 설명됩니다. 기타 항상 반대 범주에 속함 서로에 대한 변함없는 매력이 증명하듯이. 다시 말해, 두 가지 재료가 서로 둘 다 문질러진 적이 한 번도 없었습니다. 양수 또는 음수가 되었습니다.

프랭클린의 양모가 왁스에서 무언가를 문지르고 있다는 추측에 따라 문지른 왁스와 관련된 전하 유형은 "음성"(액체가 결핍되어 있기 때문에)으로 알려지게 되었으며 문지름과 관련된 전하 유형은 양모는 "양성"으로 알려지게 되었습니다(과량의 액체가 있어야 했기 때문에). 그는 자신의 순진한 추측이 미래에 전기를 공부하는 학생들에게 많은 혼란을 야기할 줄 몰랐습니다!

전하의 정확한 측정은 1780년대 프랑스 물리학자 Charles Coulomb에 의해 비틀림 균형이라는 장치를 사용하여 수행되었습니다. 전하를 띤 두 물체 사이에 발생하는 힘을 측정합니다. 쿨롱의 연구 결과는 그의 이름을 딴 전하 단위인 쿨롱을 개발하게 되었습니다. . 두 개의 "점" 물체(인식할 수 있는 표면적이 없는 가상의 물체)를 1쿨롱 단위로 동일하게 충전하고 1미터(약 1야드) 떨어져 배치하면 약 90억 뉴턴(약 20억 파운드), 관련된 요금 유형에 따라 끌거나 반발합니다. 전하의 단위로서 쿨롱의 작동적 정의(점 전하 사이에서 생성된 힘의 관점에서)는 약 6,250,000,000,000,000,000개의 전자의 과잉 또는 부족과 동일한 것으로 밝혀졌습니다. 또는 역으로 말하면 전자 1개의 전하가 약 0.00000000000000000016쿨롱입니다. 하나의 전자는 알려진 가장 작은 전하 운반체이기 때문에 전자에 대한 이 마지막 전하 수치는 원소 전하로 정의됩니다. .

이 "유체"가 실제로 전자라고 불리는 매우 작은 물질로 구성되어 있다는 것이 훨씬 나중에 발견되었습니다. , 호박에 대한 고대 그리스 단어의 이름을 따서 명명되었습니다. 천으로 문지르면 전하를 띤 성질을 나타내는 또 다른 물질입니다.

원자의 구성

실험 결과 모든 물체가 원자라고 알려진 매우 작은 "구성 요소"로 구성되어 있음이 밝혀졌습니다. 그리고 이러한 원자는 차례로 입자로 알려진 더 작은 구성요소로 구성됩니다. . 대부분의 원자를 구성하는 세 가지 기본 입자를 양성자라고 합니다. , 중성자 및 전자 . 대부분의 원자에는 양성자, 중성자 및 전자가 결합되어 있지만 모든 원자에 중성자가 있는 것은 아닙니다. 예는 하나의 양성자와 하나의 전자만 있는 수소의 가장 가볍고 가장 일반적인 형태인 수소(Hydrogen-1)의 양성자 동위원소(1H1)입니다. 원자는 너무 작아서 보이지 않지만, 원자를 보면 다음과 같이 보일 수 있습니다.

재료 조각의 각 원자는 하나의 단위로 함께 유지되는 경향이 있지만 실제로 전자와 그 중간에 있는 양성자 및 중성자 클러스터 사이에는 많은 빈 공간이 있습니다.

이 조잡한 모델은 6개의 양성자, 6개의 중성자 및 6개의 전자가 있는 탄소 원소의 모델입니다. 모든 원자에서 양성자와 중성자는 매우 밀접하게 결합되어 있어 중요한 특성입니다. 원자 중심에 있는 단단히 결합된 양성자와 중성자 덩어리를 핵이라고 합니다. , 그리고 원자핵에 있는 양성자의 수는 그 원소의 동일성을 결정합니다. 원자핵에 있는 양성자의 수를 변경하면 원자의 유형이 변경됩니다. 사실, 납 원자의 핵에서 3개의 양성자를 제거할 수 있다면, 금 원자를 생산하려는 오래된 연금술사의 꿈을 이룰 수 있을 것입니다! 핵에서 양성자의 단단한 결합은 화학 원소의 안정적인 정체와 연금술사가 꿈을 이루지 못하는 원인이 됩니다.

중성자는 양성자보다 원자의 화학적 특성과 정체성에 미치는 영향이 훨씬 적지만, 핵에 추가하거나 핵에서 제거하기가 매우 어렵기 때문에 매우 단단합니다. 중성자가 추가되거나 얻어지면 원자는 여전히 동일한 화학적 동일성을 유지하지만 질량이 약간 변하고 이상한 핵을 얻을 수 있습니다. 방사능과 같은 속성.

그러나 전자는 양성자나 중성자보다 원자 내에서 훨씬 더 자유롭게 이동할 수 있습니다. 사실, 그들은 핵에서 입자를 제거하는 데 필요한 에너지보다 훨씬 적은 에너지로 각각의 위치에서 (심지어 원자를 완전히 떠나도) 기절시킬 수 있습니다. 이런 일이 발생하면 원자는 여전히 화학적 정체성을 유지하지만 중요한 불균형이 발생합니다. 전자와 양성자는 먼 거리에서 서로 끌린다는 점에서 독특합니다. 마찰된 물체 사이의 인력을 유발하는 것은 거리에 따른 인력입니다. 전자는 원래 원자에서 멀어져 다른 물체의 원자 주위에 존재합니다.

전자는 다른 양성자와 함께 양성자가 하는 것처럼 거리에 따라 다른 전자를 밀어내는 경향이 있습니다. 원자핵에서 양성자가 서로 결합하는 유일한 이유는 강력한 핵력이라는 훨씬 더 강한 힘 때문입니다. 매우 짧은 거리에서만 효과가 있습니다. 개별 입자 사이의 이러한 인력/척력 거동으로 인해 전자와 양성자는 반대 전하를 띤다고 합니다. 즉, 각 전자는 음전하를 띠고 각 양성자는 양전하를 띤다. 원자 내의 동일한 수에서는 원자 내의 순전하가 0이 되도록 서로의 존재를 상쇄합니다. 이것이 탄소 원자의 그림에 6개의 전자가 있는 이유입니다. 핵에 있는 6개의 양성자의 전하 균형을 맞추기 위함입니다. 전자가 떠나거나 여분의 전자가 도착하면 원자의 순 전하가 불균형하여 원자가 전체적으로 "하전"되어 하전 입자 및 근처의 다른 하전 원자와 상호 작용하게 됩니다. 중성자는 전자, 양성자 또는 다른 중성자에 끌리거나 반발하지 않으므로 결과적으로 전하가 전혀 없는 것으로 분류됩니다.

전자가 도착하거나 떠나는 과정은 물질의 특정 조합이 함께 문질러질 때 일어나는 일입니다. 한 물질의 원자에서 나온 전자는 마찰에 의해 강제로 각각의 원자를 떠나 다른 물질의 원자로 이동합니다. 즉, 전자는 Benjamin Franklin이 가정한 "유체"를 구성합니다.

정전기란 무엇입니까?

물체 사이의 이 "유체"(전자) 불균형의 결과를 정전기라고 합니다. . 변위된 전자가 한 절연 물질에서 다른 절연 물질로 이동한 후 정지 상태로 유지되는 경향이 있기 때문에 "정적"이라고 합니다. 왁스와 양모의 경우, 양모의 전자가 실제로 왁스의 원자로 이동한다는 것이 추가 실험을 통해 결정되었습니다. 이는 프랭클린의 추측과 정반대입니다! 프랭클린이 왁스의 전하가 "음수"이고 양모의 전하가 "양수"라고 지정한 것을 기념하여 전자는 "음성" 대전 영향을 미친다고 합니다. 따라서 원자가 잉여 전자를 받은 물체는 음수라고 합니다. 전하를 띠는 반면 원자에 전자가 부족한 물체는 양성 이러한 명칭이 혼란스러워 보일 수 있습니다. 전기 "유체"의 본질이 발견되었을 때 프랭클린의 전하 명명법은 너무 잘 정립되어 쉽게 변경할 수 없었고 오늘날까지 남아 있습니다.

마이클 패러데이(Michael Faraday)는 정전기가 배터리나 발전기에서 생성되는 것과 동일하다는 것을 증명했습니다(1832). 정전기는 대부분 골칫거리입니다. 흑색 화약과 무연 화약에는 흑연이 첨가되어 정전기에 의한 발화를 방지합니다. 민감한 반도체 회로에 손상을 줍니다. 정전기의 고전압 및 저전류 특성으로 구동되는 모터를 생산하는 것은 가능하지만 경제적이지 않습니다. 정전기의 몇 가지 실용적인 응용 프로그램에는 제로그래픽 인쇄, 정전기 공기 필터 및 고전압 Van de Graaff 발전기가 포함됩니다.

검토:

<울>

모든 재료는 원자라고 하는 작은 "구성 요소"로 구성됩니다. .

자연적으로 발생하는 모든 원자에는 전자라는 입자가 포함되어 있습니다. , 양성자 , 및 중성자 , protium 동위원소 제외(₁ H ¹ ) 수소.

전자는 음(-)전하를 띠고 있습니다.

양성자는 양(+) 전하를 띠고 있습니다.

중성자는 전하를 띠지 않습니다.

전자는 양성자나 중성자보다 훨씬 쉽게 원자에서 분리될 수 있습니다.

원자의 핵에 있는 양성자의 수에 따라 고유한 원소로서의 정체성이 결정됩니다.

관련 워크시트:

<울>

정전기 워크시트

원자 구조 워크시트