전하와 전하에 따른 물질의 구분

1. 전하

 전하는 물체를 구성하는 기본 입자들의 고유한 특성이다. 전하는 물체가 존재한다면 물체와 함께 존재하게 되는 특성이다. 주변에서 볼 수 있는 물체들은 많은 양의 전하를 가지고 있지만 그렇게 느껴지지 않는데, 이는 양전하와 음전하라는 두 종류의 전하가 거의 같은 양만큼 들어있기 때문이다. 이처럼 한 물체 안에 두 종류의 전하가 서로 같은 양을 유지하거나 균형을 이루게 되면 이를 전기적으로 중성이라고 한다. 이는 다른 말로 알짜 전하가 없다고 하고, 두 종류의 전하가 균형을 이루지 않거나 서로 같은 양을 가지지 않을 경우 알짜 전하를 가지게 된다. 여기서 물체가 음전하나 양전하를 띠는 것을 대전이라고 하는데, 물체가 알짜 전하 또는 불균형한 전하량을 가지게 된다는 것을 의미하며 불균형한 전하량은 총 전하량에 비하면 매우 적은 양이라고 할 수 있다. 대전 된 물체들은 다른 물체와 상호 작용을 하는데, 유리막대를 비단으로 문지르면 서로 균형을 이루던 유리막대와 비단이 접촉점들을 통해 서로 다른 물체로 이동하면서 전기적 균형이 깨지며 대전 된다. 이와 동일하게 플라스틱 막대에 모피를 문지르는 경우도 플라스틱 막대도 대전이 된다. 이때 대전 된 유리막대와 유리막대를 가까이하면 서로 밀어내게 되며, 유리막대와 플라스틱 막대를 가까이하면 서로 끌어당긴다. 이는 유리막대는 양전하로 플라스틱 막대는 음전하로 대전 되기 때문인데, 유리막대는 비단에 문질러지면서 약간의 음전하를 잃어 양전하로 대전이 되며, 플라스틱 막대도 같은 원리로 음전하로 대전 된다. 여기서 같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어내고 다른 전하끼리는 서로 끌어당기게 되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 관계들을 정전기력에 관한 Coulumb의 법칙으로 표현할 수 있으며, 정전기력의 정전기라는 용어는 전하들이 정지해 있거나 혹은 매우 느리게 움직인다는 것을 강조하는 위함이다. 전하에 붙여 준 양과 음의 표시는 벤저민 프랭클린이 명명한 것이다.

 

2. 물질의 구분
 

 물질 내에서 움직이는 전하의 이동 능력에 따라서 물질을 구별할 수 있는데 도체 또는 절연체, 반도체, 초전도체가 있다. 도체는 전하들이 자유롭게 움직일 수 있는 물질이며, 어떤 종류의 전하도 자유롭게 이동할 수 없는 물질을 부도체, 도체와 절연체의 중간물질을 반도체, 물질 안에서 어떠한 저항도 받지 않고 전하가 이동할 수 있는 도체의 초전도체이다. 앞에서 설명한 정도라는 개념을 이용하여 물체에 있는 과잉 전하를 제거할 수 있는지를 알아보면, 수도꼭지를 잡으면서 손에 잡고 있는 물체를 대전시키면 대전 되지 않는다. 이는 전하의 이동이 있음에도 수도꼭지가 수도관을 통해 거대한 도체인 지표면에 연결되어 있기 때문이다. 이러한 과정을 통해 손에 들고 있는 물체는 전기적 중성으로 남을 수 있고, 물체와 지면 사이에 전하의 통로가 형성된 경우에 물체가 접지되었다고 하며, 불균형한 양전하 또는 음전하를 제거해 물체가 중성으로 되는 경우는 방전되었다고 한다. 도체와 부도체의 특성은 원자의 구조와 전기적인 특성에 의해서 결정되는데, 원자는 양으로 대전 된 양전자, 음으로 대전 된 전자, 전기적으로 중성인 중성자로 구성되어 있다. 양성자와 중성자는 원자 중심에 있는 원자핵 속에 강하게 묶여 있다. 전기적으로 중성인 원자에는 동일한 수의 전자와 양성자가 있으며, 단일 전자가 가지고 있는 전하량과 단일 양성자가 가지고 있는 전하량은 같다. 원자핵 속에 있는 양성자와 전자는 서로 다른 부호를 띠고 있어 전자 핵 방향으로 끌리는 힘을 받아 핵 주위에 붙들려 있게 된다. 구리와 같이 도체의 원자들이 모여서 고체상태를 이루게 되면 각각의 원자에 속해 있는 최외각전자 중의 일부가 원자에서 이탈하여 양으로 도체 내에서 자유롭게 움직이게 된다. 여기서 최외각 전자는 결합력이 가장 약한 전자이다. 도체 내에서 자유롭게 이동하는 전자를 전도전자라고 부르고, 전하가 자유롭게 이동할 수 없는 부도체의 경우는 전도전자가 거의 없거나 있더라도 극소수의 전도전자가 존재한다. 도체인 구리 막대는 전기적으로 중성이지만 대전 된 물체를 가까이 가져가면 양전하로 대전 된 물체일 경우 서로 끌어당기게 된다. 이때 양전하를 끌어 다니는 부분의 구리 막대는 음으로 대전 되어 있으며 반대쪽은 양으로 대전 되게 된다. 이러한 반대로 음전하로 대전 된 물체는 구리 막대와 서로 밀어내는데 이를 통해 유도현상에서 음전하인 전도전자만 움직이고 양이온은 움직이지 않는다는 것을 알 수 있다. 여기서 물체를 양으로 대전시키기 위해서는 음전하를 제거하고, 음으로 대전시키기 위해서는 음전하를 추가해주어야 하는 것을 알 수 있다.