안녕하세요.
제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.
중학교 3학년 1학기 첫 단원은 '전기와 자기'입니다.
초등학교 과정에서는 전기회로와 전류에 대해 간단하게 배웠었지요.
하지만 중학교 과정에는 정전기, 전하, 전압, 저항, 자기장 등 새로운 개념이 많이 등장합니다.
용어도 생소하고 이해하기도 까다롭고 계산문제까지 있어 많은 학생들이 어려워하는 단원이에요.
고등학교 물리 과목에서도 지속적으로 배우기 때문에 기초를 탄탄히 하지 않으면 앞으로 두고두고 고생하게 될지도 모릅니다.
이번 시간에는 전기 단원에서 나오는 기본 개념들을 알아보도록 할게요.
달빛과학쌤을 믿고 따라오시면 무척 쉬운 단원이 될겁니다.
*** 원자의 구조부터 복습해봐요
전기가 발생하는 기본적 원리를 이해하려면 원자의 구조부터 다시 알아봐야 합니다.
2학년 과정에서 배웠지만 우리 같이 복습해볼까요?
■ 원자 [atom, 原子]
- 한자 뜻 풀이: 근원 原, 알갱이 子
- 물질을 구성하는 기본 입자
■ 전하 [electric charge, 電荷]
- 한자 뜻 풀이: 전기 電, 부담할(책임질) 荷
- 물체가 갖고 있는 '전기의 양'을 전하라고 합니다.
- 쉽게 '전하 = 전기'라고 생각해도 좋습니다.
- (+)전하와 (-)전하, 두 종류가 있습니다.
- 같은 전하는 서로 밀어내고(척력), 다른 전하는 서로 끌어당깁니다(인력).
■ 원자의 구조
- 원자 중심에 있는 원자핵(양성자+중성자)과 그 주위를 움직이는 전자로 구성되어 있습니다.
- 모형을 그림으로 그려보겠습니다.
★ 여러분도 한 번 연습장에 그려보세요! 나중에 훨씬 기억이 잘 날거에요!
▶ 원자핵
- 원자핵은 양성자와 중성자로 이루어집니다.
- 양성자는 전기적으로 (+)전하를 띠고 있습니다. 그리고 질량이 큽니다.
- 중성자는 전기적으로 중성입니다.(전하를 띠고 있지 않습니다.) 질량은 양성자보다 조금 더 큽니다.
- 그래서 원자핵은 전체적으로 (+)전하입니다.
- 원자핵은 원자 전체 질량의 대부분(99.99%)을 차지합니다. 그래서 움직일 수 없어요.
- 원자 안쪽은 거의 텅빈 공간입니다. (원자의 크기를 운동장으로 비유하면 원자핵은 운동장에 기어다니는 개미 정도의 크기라고 생각하면 됩니다.)
- 참고로 원자 번호는 원자핵에 있는 양성자의 개수와 같습니다. (ex. 수소(H) 원자핵에는 양성자가 1개가 있습니다. 그래서 수소의 원자 번호는 1입니다. )
▶ 전자
- 전자는 (-)전하를 띠고 있습니다.
- 전자의 질량은 '무시할 수 있을 정도로' 작습니다. 그래서 이동할 수 있습니다.
- 양성자와 중성자의 질량은 전자의 약 1800배 정도 입니다. (전자가 어느정도 가벼운지 아시겠죠?)
- 전자는 원자핵 주위에서 계속 움직입니다.
■ 원자의 특징
- 원자의 양성자 수와 전자 수는 같습니다.
- 따라서 원자핵의 (+)전하량과 전자의 총 (-)전하량이 같고, 원자는 전기적으로 중성입니다.
- 원자의 크기는 10억 분의 1미터 입니다. 정말 작죠? 당연히 눈에 보이지 않습니다.
- 원자의 종류에 따라서 양성자, 전자 개수가 모두 다릅니다. 당연히 성질도 모두 다르겠지요.
★ '양성자 수 = 전자 수', 원자는 전기적으로 '중성'이라는 점은 꼭 기억하세요!
*** 전기의 발생
원자의 구조에 대해서 알아보셨죠?
자, 그럼 이제 전기의 발생 원리를 간단하게 이해해봅시다.
원자의 양성자(+)와 전자(-)의 개수는 같아서 원래 전기를 띠지 않습니다.
그런데 이 상태에서 원자가 전자를 잃어버리면 어떤 상태가 될까요?
전자(-)가 없어지기 때문에 상대적으로 양성자(+)가 많은 상태가 되고
(+)전하를 갖게 되지요. 이 원리가 전기가 발생되는 기본 원리입니다.
반대로 전자(-)가 늘어나면 (-)전하를 띄게 되겠죠.
한마디로 정리하면
'원자가 전자를 잃거나 얻어 전기적 성질을 띄는 현상'이 전기입니다.
■ 전기력
- 전기를 띤 물체 사이에 작용하는 힘
전기를 띤 물체 사이에 작용하는 힘을 힘 력(力)자를 써서 '전기력'이라고 합니다.
전기력의 종류는 두 가지가 있습니다. 바로 끌어당기는 힘, 밀어내는 힘 입니다.
▶ 인력 [attractive force , 引力]
- 끌어당길 인(引), 힘 력(力)
- 서로 다른 전하를 가진 물체끼리 끌어당기는 전기력
- (+)전하 ↔ (-)전하
▶ 척력 [repulsive force , 斥力]
- 내쫓을 척(斥), 힘 력(力)
- 서로 같은 전하를 가진 물체끼리 밀어내는 전기력
- (+)전하 ↔ (+)전하, (-)전하 ↔ (-)전하
*** 정전기
여러분, '정전기'라는 단어 들어보셨죠?
겨울에 스웨터나 맨투맨티를 벗을 때 따닥따닥 튀는 그 전기!
그렇다면 우리가 평소에 알고있는 전기와 정전기는 무엇이 다른 걸까요?
이 내용을 이해하려면 초등학교 때 배운 도체와 부도체에 대해서 먼저 이해해야 합니다.
■ 도체 vs 부도체
▶ 도체 [conductor , 導體]
- 한자 뜻 풀이: 이끌다 導, 물체 體
- 전기를 잘 전달하는 물체
- 대표적으로 여러가지 금속(철, 금, 구리, 알루미늄..)이 있어요.
▶ 부도체 [insulator , 不導體]
- 한자로는 도체 앞에 '아닐 부(不)'를 붙입니다
- 전기를 잘 전달하지 못하는 물체
- 털가죽, 유리, 명주, 나무, 고무, 플라스틱, 종이 등이 있지요.
- 절연체(絶緣體)라고도 한답니다. (부도체 = 절연체)
※ 반도체 [semiconductor , 半導體]
- '반만 도체'라는 뜻입니다. (하핫)
반도체 왜 '반도체'라고 부르는지 생각해보셨나요?
간단하게 말해서 우리가 조절하기에 따라 도체도 되었다가, 부도체도 되었다가,
이렇게 조절이 가능한 물질을 말합니다. '규소(Si)'가 대표적인 반도체 물질이죠.
우리 주변의 거의 모든 전자제품에 사용되는 물질입니다.
■ 정전기 [static electricity , 靜電氣]
- 한자 뜻 풀이: 고요하다, 쉬다 靜, 전기
- '정지해있는 전기'라고 생각하면 쉽습니다.
정전기는 '전하'가 흐르지 않고 정지해 있어 잠깐 동안 띄게 되는 전기를 말합니다.
(정전기의 반대는 '움직일 동(動)'을 써서 '동전기'라고 하는데요,
우리가 일반적으로 전자제품을 사용하면서 말하는 전기를 말합니다.)
정전기는 생활 속에서 많이 느껴봤고, 초등학교 때 실험도 해봤을거에요.
건조한 겨울철 스웨터나 맨투맨티를 벗을 때 따닥 소리를 내며 따끔거리는 현상,
머리를 플라스틱 자로 빗을 때 머리카락이 빗에 달라붙는 현상 모두 정전기 때문입니다.
이 아기는 플라스틱으로 된 미끄럼틀을 내려오며 정전기가 충만한 상태가 됐네요. (귀여워요 ㅋㅋ)
▶ 마찰전기
정전기 현상은 대부분 '부도체 끼리' 마찰에 의해 발생합니다.
예를 들어 A와 B라는 부도체가 서로 마찰을 시켰습니다.
A는 전자를 잃었고, B는 전자를 얻었습니다.
그렇다면 A는 (+)전하를 띄고, B는 (-)전하를 띄게 되겠죠.
서로 다른 전하를 띄기 때문에 서로 끌어당기는 힘(인력)이 나타나게 됩니다.
전기적 힘이 발생하는 것이죠.
그리고 이렇게 발생한 전기는 부도체에 생기기 때문에 다른 곳으로 흐르지 않고 그 물체에 머물러 있습니다. 그렇기 때문에 정지해있는 전기, '정전기'라고 이름을 붙인 것입니다.
일부 교과서나 참고서에는 '마찰전기 = 정전기'라는 설명도 있는데요,
정확히 말하면 '마찰전기는 정전기의 한 종류'라고 할 수 있습니다.
마찰전기에 대해서는 다음 포스팅에서 더욱 자세하게 다루기로 하겠습니다.
*** 전류 [electric current , 電流]
앞에서 정지해있는 전기, '정전기'에 대해서 알아봤어요.
그런데 우리가 생활속에서 많이 사용하는 전기는 정전기가 아닙니다.
우리가 사용하는 전기는 움직이는 전기, '동전기'입니다.
초등학교 때 배운 전기회로를 떠올려봅시다.
전선은 구리로 되어있으니 '도체'이지요.
이 전선(도체)를 따라 전하가 계속 이동하게 됩니다. 물처럼 흐르게 되죠.
이런 전하의 흐름을 한자로 '흐를 류(流)'자를 써서 '전류'라고 합니다.
전류에 대해서는 나중에 더욱 자세하게 공부하게 될겁니다.
*** 정리해봅시다
- 원자의 구조를 떠올려보세요.
- 전기가 발생하는 원리를 간단하게 설명해보세요.
- 정전기란?
- 정전기는 도체와 부도체 중 어디에서 발생하나요?
- 전류를 간단히 설명해보세요.
위 질문에 답하실 수 있으면 전기 단원의 기초를 완성하신 겁니다.
다음 시간부터 본격적으로 '전기와 자기' 단원을 공부해 봅시다.
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