실험으로 함께하는  과학놀이

                              강성기 지음 / 도서출판 바른사

제 6 장   정전기의  세계

1.  인간 발전기

 

  신나는 방학이 있는 겨울에는 누구나 한 번쯤은 경험을 하는 정전기를 이용한 실험을 소개해 보려고 합니다. 알쏭달쏭 재미있는 정전기 놀이를 한가지씩 하다보면 겨울이 안 춥겠지요? 방학이 더욱더 신나겠지요?


 

[놀이 1. 솟아오르는 머리카락]

? 필요한 것은

풍선 여러 개

? 어떻게 할까요?

1. 풍선을 불어서 주둥이를 꽉 맨다.

2. 머리에 가까이 가져가 보자(물론 아무런 반응이 없다).

3. 풍선을 머리나 모직 옷감에 몇 번 문지른 다음 머리에 가까이 가져가 보자.

4. 같은 과정을 통해 온몸에 붙여 보자.

? 어떻게 될까요?

풍선을 머리에 문지른 후 다른 사람의 머리에 가까이 가져가 보면, (-) 전하를 띠고 있는 전자가 풍선으로 옮겨가면서 머리털은 (+)로, 풍선은 (-)로 대전되어 머리카락이 풍선에 끌려 올라가는 모습을 볼 수 있습니다.

 

[놀이 2. 아름다운 세상 아름다운 사람]

? 필요한 것은?

풍선

? 어떻게 할까요?

1. 여러 가지 색깔의 풍선을 불어 묶는다.

2. 머리에 문지른 후 천장에 붙여 만들어 보자.

3. 머리와 몸에도 붙여 만들어 보자.

[놀이 3. 종이를 붙여 보자]

? 필요한 것은

종이, 자

? 어떻게 할까요?

1. 흰 종이를 한 손으로 벽에 살짝 누른다.

2. 다른 한 손으로 자나 연필을 이용하여 몇 번 종이 위를 문지른 다음 손을 떼어 보자.

[놀이 4. 솟아오르는 인형의 머리카락]

? 필요한 것은

화장지, 풍선

? 어떻게 할까요?

1. 화장지를 찢어 좁고 길게 만든다.

2. 화장지의 끝은 찢지 않고 남겨 인형의 머리에 감는다.

3. 풍선을 머리에 문지른 후 찢은 화장지에 가까이 가져가 보자.

 

[놀이 5. 풍선에 종이 인형 붙이기]

? 필요한 것은

종이, 풍선, 색연필

? 어떻게 할까요?

1. 종이에 작은 인형을 그린다.

2. 그린 인형을 가위로 오려 낸다.

3. 풍선을 머리에 문지른다.

4. 종이 인형에 풍선을 가까이 가져가 보자.

? 어떻게 될까요?

머리에 문지른 풍선은 왜 작은 물체들을 끌어당길까요?

모든 물질은 원자라고 하는 아주 작은 알갱이들로 구성되어 있고 원자는 다시 전자와 원자핵으로 나누어집니다. (+) 전기를 띤 원자핵 둘레를 (-)전기를 띤 전자들이 아주 빠른 속도로 돌고 있습니다.

풍선과 머리털은 서로 문지르기 전에는 전기적으로 중성이었는데 머리털에 풍선을 문지르면 머리털의 전자들이 풍선으로 옮겨가게 됩니다. 풍선이 전자를 받으면 (+)전기보다 (-)전기가 많아져 (-)전기를 띠게 됩니다.

(-)전기를 띤 풍선을 전기적으로 균형을 잡고 있던 종이 조각에 가까이 가져가면 전자끼리 밀어내는 힘에 의해 종이 조각의 전자는 튕겨나가게 됩니다.

종이 조각의 전자가 멀리 가므로 종이 조각은 (+)전기를 띠게 되어 (-)전기를 띠는 풍선은 종이 조각을 끌어당기게 됩니다. 이와 같은 현상을 정전기 유도라고 합니다.

놀이 2, 3, 4는 풍선을 머리에 문질렀을 때 생기는 마찰 전기 때문에 생기는 정전기 유도 현상입니다. 풍선의 마찰 전기를 다른 물체에 가까이 가져가면 서로 반대되는 전기를 만들기 때문에 서로 달라붙게 되는 것이랍니다.

특히 종이 인형이 풍선에 붙는 현상을 관찰해 보면 모서리 부분이 먼저 달라붙는 것을 볼 수 있는데 이는 뾰족한 모서리 부분에 전기가 많이 모이는 성질 때문입니다.

이 성질을 이용한 대표적인 것이 바로 피뢰침입니다.

피뢰침은 건물의 가장 높은 곳에 설치하는 끝이 뾰족한 금속 막대기입니다.

              

벼락이 쳤을 경우 피뢰침 끝에 모인 전기를 땅 속으로 보내 벼락의 피해를 막는 역할을 하게 되는 것이지요.

 

[놀이 6. 전기 주사위 놀이]

? 필요한 것은

종이 인형, 아크릴 판, 몇 권의 책

? 어떻게 할까요?

1. 몇 권의 책을 양쪽에 올려놓고 그 사이에 종이 인형의 발을 바닥에 고정시킨다.

2. 양쪽의 책 위에 아크릴 판을 놓고 풍선을 아크릴 판에 대고 문질러 보자.

3. 이번에는 스티로폴로 주사위를 만들어 넣고 풍선으로 문질러 보자.

? 어떻게 될까요?

풍선을 아크릴 판에 대고 문지르면 전기를 띠게 됩니다. 풍선으로 문지르는 동안에는 종이 인형들이 팔짝팔짝 뛰어오르기 시작합니다. 문지르기를 멈춰도 당분간 종이 인형들은 꼿꼿이 서 있습니다. 또, 스티로폴로 주사위를 만들어 놓고 풍선으로 문지르면서 주사위 놀이를 즐길 수도 있습니다.

 

 [놀이 7. 물줄기 구부리기]

? 필요한 것은?

풍선, 수도

? 어떻게 할까요?

1. 풍선을 불어 머리카락에 대고 문지른다.

2. 흘러나오는 가느다란 물줄기의 옆에 갖다댄다.

? 어떻게 될까요?

물은 전기 쌍극자로 구성되어 있기 때문에 마찰 전기로 대전된 풍선을 물줄기에 가까이 대면 풍선과 다른 전기를 띤 쌍극자가 끌리게 됨으로써 물줄기가 휘어지게 되는 것입니다.

물론 풍선이 젖게 되면 물줄기를 끌어당기지 못합니다.

 

  [놀이 8. 은박지 검전구]

? 필요한 것은

알루미늄 호일, 풍선

? 어떻게 할까요?

1. 알루미늄 호일을 작은 공 모양으로 말아 실을 매단다.

2. 풍선을 머리에 문질러 가까이 가져가 보자.

? 어떻게 될까요?

풍선을 가까이 가져가면 끌려오지만 순간적인 접촉 이후에는 은박지 뭉치를 밀쳐냅니다. 풍선에 있던 (-)전자가 호일 뭉치로 이동하므로 호일은 (-)로 대전되어 서로 밀어냅니다.

 

 [놀이 9. 검전기 만들기]

? 필요한 것은

두꺼운 도화지, 가위, 알루미늄 호일, 실, 플라스틱, 못, 셀로판 테이프, 유리병

? 어떻게 할까요?

1. 두꺼운 종이에 유리병 주둥이를 대고 연필로 그려 오려낸다.

2. 못을 오려낸 종이에 끼운다.

3. 호일 두 조각을 떼내어 테이프로 실 끝에 붙인다.

4. 양끝의 길이를 같게 하여 못에 묶는다.

5. '4'를 병 위에 놓고 테이프로 붙인다.

6. 풍선을 머리에 문질러 못 위에 갖다댄다.

? 어떻게 될까요?

머리에 문질러 (-) 전하로 대전된 풍선을 검전기의 못머리에 가까이 가져가면 정전기 유도에 의하여 못머리는 (+) 전하가 유도되고, 못 끝의 2개의 금속박에는 (-)전하가 유도되므로 서로 밀어냅니다.

 

 [놀이 10. 어느 쪽으로 갈까?]

? 필요한 것은

탁구공, 플라스틱 자, 풍선

? 어떻게 할까요

1. 탁구공을 양면 테이프나 셀로판 테이프로 바닥에 고정시킨다.

2. 그 위에 자를 올려 균형이 잡히도록 가만히 놓는다.

3. 풍선을 머리에 문질러 가까이 가져가 보자.

4. 탁구공 위에 올려져 있던 자를 머리에 문질러 다시 탁구공에 위에 올려놓는다.

5. 머리에 문지른 풍선을 자에 가까이 가져가 보자.

? 어떻게 될까요?

같은 전기로 대전된 물체는 서로 밀어내고 다른 전기로 대전된 물체는 서로 끌어당기게 됩니다. 자와 풍선을 함께 머리에 문질러 가까이 가져가면 두 물체가 똑같은 전기로 대전되기 때문에 서로 밀어내려는 현상을 보입니다.

 

 [놀이 11. 가깝고도 먼 사이]

? 필요한 것은

풍선, 실

? 어떻게 할까요

1. 풍선 두 개에 바람을 넣어 실 끝에 묶는다.

2. 한 개의 풍선을 머리에 문지른 다음 나머지 한 개의 풍선을 함께 들어올려 보자.

3. 이번에는 다른 두 개의 풍선에 공기를 넣어 실 양끝에 묶는다.

4. 두 개의 풍선을 머리 위에 문질러 들어올려 보자.

5. 풍선 사이에 빳빳한 종이를 대본다.

6. 풍선 사이에 빳빳한 종이를 빼보자.

? 어떻게 될까요?

풍선 두 개를 실에 매달아 이중 한 개의 풍선을 머리에 문지르면 두 개의 풍선은 서로 끌어당깁니다.

풍선 두 개를 모두 머리에 문질러 들어올리면 똑같은 전기로 대전되기 때문에 서로 멀어지려는 현상을 보입니다.

한쪽 풍선의 전기가 다른 쪽 풍선의 전기를 밀어내기 때문에 서로 멀어지려는 것입니다. 그러나 풍선 사이에 빳빳한 종이를 끼우면 풍선의 전기가 종이를 끌어당기기 때문에 풍선이 서로 붙고 종이를 빼내면 풍선은 다시 멀어집니다.

 [놀이 12. 번개를 잡아라]

? 필요한 것은

숟가락, 금속 쟁반, 책받침, 페트병 2개

? 어떻게 할까요

1. 두 개의 페트병 위에 금속 쟁반을 올린다.

2. 책받침을 머리에 문질러 금속 쟁반 위에 올린다.

3. 금속 쟁반 근처에 숟가락을 가까이 가져가 보자.

4. 숟가락 대신 손가락을 가까이 가져가 보자.

? 어떻게 될까요?

숟가락이나 손가락을 가까이 가져가면 '툭'하는 소리와 함께 찌릿한 느낌을 가질 수 있을 것입니다. 불을 끄고 해보면 성냥개비 절반쯤의 길이를 가진 '번개'가 보일 것입니다.

실제로 번개는 매우 빠른 속력으로 전달되지만 우리들의 실험에서는 빛이나 소리가 동시에 도달하게 됩니다.

 

 [놀이 13. 전기 스푼]

? 필요한 것은

페트병 2개, 플라스틱 막대 자, 풍선, 숟가락, 종이 조각

? 어떻게 할까요

1. 2개의 페트병 위에 플라스틱 자를 얹는다.

2. 볼펜을 실에 매달아 땅에 닿을락 말락한 길이로 막대 자에 묶는다.

3. 볼펜 끝 바닥에 종이를 잘게 잘라 놓고 풍선을 머리에 문질러 볼펜의 윗부분에 가까이 가져가 종이 조각이 어떻게 움직이는지 관찰해 보자.

4. 이번에는 금속으로 된 숟가락을 실에 매달아 땅에 닿을락 말락한 길이로 막대자에 묶는다.

5. 바닥에 종이를 잘게 잘라 놓고 풍선을 머리에 문질러 숟가락의 끝에 가까이 가져가 종이 조각의 움직임을 관찰해 보자.

 

? 어떻게 될까요?

볼펜의 끝에 풍선을 가까이 가져가면 종이는 아무 변화가 없습니다. 볼펜은 플라스틱으로 만들어졌으므로 전기가 통하지 않기 때문입니다.

그러나 풍선을 숟가락의 끝에 갖다 대기만 하여도 금세라도 숟가락의 끝에 달라붙으려고 하고 실제로 가벼운 종이 조각들은 달라붙어 있습니다. 풍선에 대전된 전기가 숟가락의 위쪽 끝에서부터 아래쪽 끝까지 퍼져 전해지기 때문입니다.

전선은 왜 구리나 알루미늄으로 만들어져 있으며, 왜 고무나 플라스틱으로 덮어씌워져 있는지를 이상과 같은 사실로 미루어 생각해 볼 수 있을 것입니다.

 

 [놀이 14. 인간 발전기]

? 필요한 것은

형광등, 풍선

? 어떻게 할까요?

1. 형광등을 세워 풍선을 대고 문지른다(어두운 곳에서 해야 잘 보인다).

2. 한 사람은 형광등을 손에 든 채 의자에 올라가고, 다른 사람은 머리에 풍선을 대고 문지른다(형광등을 든 사람은 의자에 올라간다).

            

 

? 왜 그럴까요?

형광등을 전원에 연결하면 양쪽 끝에서 전자가 방출되면서 자외선이 나옵니다. 이렇게 방출된 전자에 의해 형광등 안의 수은이 증기화 되고 이 수은 전자를 형광 물질까지 이동시켜 우리가 볼 수 있는 형광등의 빛으로 나오게 됩니다.

고무 풍선으로 형광등을 마찰시키면 작은 규모이지만 이러한 변화가 일어나도록 합니다.

고무 풍선을 형광등에 대고 문지르면 표면이 대전되어 전자들은 형광등을 전원에 연결한 것처럼 형광등 내부의 수은 증기를 대전시키고 대전된 수은 증기는 형광 물질이 우리 눈에 보이는 빛을 낼 수 있도록 에너지를 공급하게 되는 것입니다.

그럼, 정전기란 무엇일까요?

일상적으로 우리가 가정에서 사용하는 전기와는 달리 머물러 있는 전기 즉, 정지된 전기를 말하는데 마찰 전기가 대표적입니다.

마찰에 의한 발전은 새로운 것이 아니며 실은 인류가 이미 고안해낸 최초의 발전 양식입니다.

             

기원전 600년전에 밀레투스의 탈레스(Thales of Miletus)는 호박을 마찰시키면 가벼운 물체를 잡아끈다는 사실을 알았습니다. 호박을 의미하는 희랍어의 엘렉트론(elektron)에서 우리들이 사용하고 있는 전기라는 뜻인 엘렉트리시티(electricity)라는 낱말이 나온 것입니다.

모든 물체는 원자로 구성되어 있는데 원자의 한 가운데는 (+)전기, 바깥의 주위는 (-)전기를 띰으로써 전체적인 양이 같아 전기적으로 중성을 이루고 있으며 마찰이나 충격에 의해 전자가 이동함으로써 대전되게 됩니다.

우리는 앞에서 두 물체를 마찰시키면 한쪽 물체는 (+)전기를 띠고 다른 쪽 물체는 (-)전기를 띤다는 것을 알았습니다.

예를 들면 유리를 털가죽과 마찰시키면 (-)로 대전되지만 셀룰로이드나 고무와 마찰시키면 (+)로 대전되게 됩니다.

다음에 배열되어 있는 물질 중에서 두 가지를 골라 서로 마찰시킬 경우 왼쪽에 있는 물질이 (+)전하를 띠고 오른쪽에 있는 물질이 (-)전하를 띠게 되는데, 이 순서를 대전열이라고 합니다.

여러 가지 물체의 대전열 순서는 다음과 같습니다.

[대전열 순서]

(+) 털가죽, 상아, 유리, 명주, 나무, 솜, 고무, 셀룰로이드, 에보나이트(-)

이번에 우리가 한 놀이들 대부분은 마찰 전기로서, 이는 전압은 높지만 흐르는 시간이 순간적이어서 효과는 작습니다.

또, 전기적인 전하는 습기가 많은 공기중에서는 곧 누설되어 버리기 때문에 겨울철의 차가운 밤이나 습도를 적게 한 상태에서 효과가 큽니다.

참고로 말하자면, 자석과 마찰 전기는 같은 극끼리는 서로 밀어내고 다른 극끼리는 서로 당기는 성질이 비슷합니다.

그러나 자석은 쇠붙이만 끌어당기지만 마찰 전기는 가벼운 물체는 무엇이든지 끌어당깁니다. 또한 자석은 종이나 책받침이 있어도 쇠붙이를 끌어당기지만 마찰 전기는 가운데를 막으면 끌어당기지 못합니다.