정전기에 대하여

여러분은 건조한 겨울에 털로 덮인 스웨터를 벗는 동안 따끔따끔한 정전기를 경험했을지도 모릅니다. 자동차에 열쇠를 꽂을 때 금속 문고리를 들고 불꽃이 튀거나 전기가 들어오는 것은 모두 정전기에 의한 것이다. 습도가 낮은 날 모피 카펫 위를 걸을 때도 수만 볼트의 정전기가 발생할 수 있다. 그러나 정전기는 전압이 높을 뿐 전류는 매우 짧은 시간 동안만 흐르기 때문에 정전기에 의해 크게 다치는 경우는 극히 드물다.

실내 정전기를 예방하기 위해서는 천연 소재로 된 카펫을 사용하고 문의 금속 손잡이는 천연 섬유로 덮어야 한다. 또한 정전기는 컴퓨터 내부에 이상을 일으킬 수 있으므로 케이스와 메인보드를 연결하는 나사가 접지 역할을 하여 정전기를 방지한다. 그리고 금속 물체를 보정하는 대신 물체를 살짝 만져 정전기를 방전시킨 다음 물체를 잡아 정전기의 피해를 어느 정도 줄일 수 있다. 
우리가 불편하다고만 생각하는 정전기의 공학 응용의 전형적인 예는 복사기이다. 전류에 의해 음으로 대전된 토너 입자는 정전기에 의한 상의 반사에만 달라붙는다. 이 원리를 이용해 종이를 붙이고 나서 종이 뒷면에서 강한 양전하를 짜내면 음전하의 토너 입자가 다시 종이로 옮겨진다. 또한 공기 중의 먼지를 모으는 장치인 집진기는 정전기의 원리를 이용한 장치이다.

정전기는 전하가 정지 상태이기 때문에 시간이 지나도 전하 분포가 변하지 않는 전기를 말한다. 정전기의 반대 개념은 구리 전기이지만, 일반적으로 전기는 동전 기계를 의미하기 때문에 널리 사용되지 않는다. 정전기는 정전기의 원인 때문에 오랫동안 마찰전기로 알려져 왔다. 전자는 물체를 구성하는 핵 주위를 돌고 있으며, 마찰을 통해 다른 물체로 이동한다. 우리 몸도 인근 물체와 접촉할 때마다 전자를 주고받는데, 이 과정에서 전기가 조금씩 저장되고, 전기가 적정 한계 이상으로 축적되면 적절한 유전체에 닿으면 불꽃과 함께 빠르게 움직인다. 이것은 우리가 살면서 경험하는 정전기 현상이다. 정전기는 18세기 후반부터 찰스 쿨롱 등에 의해 정량적으로 연구되었으며, 전기의 응용과 전자기학의 발전의 기초가 되었다.

정전기는 전하가 흐르지 않고 남는 전기를 말한다. 정전기의 가장 큰 원인은 '마찰'이다. 보통 물질 속의 원자는 양전하를 띤 양성자와 음전하를 띤 전자의 수가 같다. 두 전하 사이에 균형이 잡혀 있기 때문에 중립적입니다. 그러나 물체가 접촉하고 마찰이 일어나면 전자는 두 물체 사이를 왔다갔다 한다. 이때 전기가 발생하며 전하가 이송된 물질에 남아 있게 된다. 즉 스웨터를 입고 일을 하면 팔과 옆구리가 계속 문지르면서 전기가 생기고 우리 몸에 축적돼 정전기를 유지한다. 하지만 문제는 전기가 너무 많이 흐를 때입니다. 이 상태에서 전하를 띤 물체를 만지면 다량의 전기가 한꺼번에 움직이면서 불꽃이 튀게 된다. 이것이 우리가 일상생활에서 경험하는 정전기 방전 현상이다. 만약 여러분이 플라스틱 빗으로 머리를 빗는다면, 전압은 5만 볼트까지 될 수 있다. 정전기는 겨울처럼 대기가 건조할 때 좋다. 습할 때, 공기 중의 전하는 수증기에 의해 쉽게 흡수된다. 따라서 습도가 높으면 정전기가 쉽게 발생하지 않는다. 머리를 감을 때 보습 로션을 바르거나 린스를 사용하면 정전기를 예방할 수 있다.

 

겨울에 옷을 갈아입으려고 하면 따끔따끔한 느낌이 들죠? 이것은 마찰 전기 때문입니다. 마찰전기는 두 물체를 문지르면 각각의 물체가 되는 전기인 정전기의 대표적인 예이다. 그러나 이때 발생한 전기가 빨리 사라지지 않고 물체의 표면에 남아 있기 때문에 '정적'이라고도 불린다. 그렇다면 정전기는 왜 발생하는가? 모든 물체는 (+)전자와 (-)전자에 의해 균형을 이룬다. "전하"는 물체가 가지고 있는 전기를 의미하며, "전자"는 (-) 전하를 갖는 매우 작은 입자이다. 그러나 물체가 서로 접촉하여 마찰이 일어나면 전자가 두 물체 사이를 왔다갔다하게 되고, 이 과정에서 전기가 발생한다. 그러면 우리는 언제 우리 주변에서 정전기를 볼 수 있을까요? 옷에 걸레를 몇 번 문질러서 먼지가 있는 곳에 두나요? 정전기 때문이에요. 고무풍선이나 책장으로 머리를 문지르다가 살짝 떼어내도 마찬가지다.

정전기는 특히 겨울철에 많이 발생하는데, 여름철에는 정전기를 유도해도 습도가 높아 주변 물 분자에 의해 쉽게 방전이 되지만 겨울에는 습도가 낮기 때문이다. 또한 사람이 입는 두꺼운 모피 소재를 많이 사용하는 겨울옷의 특성상 여름철 얇은 옷보다 정전기가 더 많이 발생할 수밖에 없다. 상대적으로 높은 열에 의한 것이라는 얘기다. 이 때문에 겨울철에는 금속제 난간이나 문고리를 들고 있다가 따가운 맛을 보면 깜짝 놀랄 때가 많다. 때때로 정전기는 이어폰을 통해 작동하는데, 여기서 여러분은 귀에서 정전기의 맛을 느낄 수 있습니다. 반면 지중해성 기후나 서해안 해양성 기후에 속하는 나라에 가면 한여름이 건조해 정전기가 발생하기 쉽다. 유난히 정적인 사람들이 있는데, 이런 사람들에게 겨울은 그야말로 정적인 공포일 뿐이다. 잊으면 계속 따끔따끔해서 목덜미를 잡게 되지만 금속제 난간과 문고리가 자연스럽게 작동하며 정수기, 자판기, 휴대전화 등 약간의 금속혼합물에 가까워지면 정전기가 발생한다. 이런 경우 귀찮고 과도할 수도 있지만 지하철이나 KTX 열차 등 크고 아름다운 금속 물체를 탑승하면서 표면에 닿아 정전기가 발생할 수도 있고, 열차 전체에 모인 정전기로 발생하는 전력도 장난이 아니다. 그리고 이 사람들이 털 많은 옷을 입고 마른 방에 들어가면, 그 사람에게 생지옥이 펼쳐진다. 온몸이 바늘방석처럼 따가워서 잠시도 가만히 있을 수가 없다. 물에 손을 씻으려고 해도 정전기가 발생한다. 이러한 사람들은 겨울뿐만 아니라 봄, 여름, 가을에도 정전기가 발생하는 경우가 많아 일상생활에 상당한 지장을 주기 때문에 큰 스트레스를 받고 있다. 심지어 찬물과 종이컵(!)을 지나 종이컵에 뜨거운 물을 받아 커피를 마시기도 하지만 종이컵 사이로 들고 있는 손이 따가워 움찔하며 뜨거운 물을 쏟으며 화상을 입는다. 안전사고까지 우려되는 수준이다. 부주의하게 만진 가전제품이 자신뿐만 아니라 정전기 때문에 망가지는 경우도 있다.