정전기 이론

정전기 정의

 정전기를 문자대로 정의를 내리면 공간의 모든 장소에서 전하의 의동이 전혀 없는 전기라고 규정할 수 있다. 그러나 일반적으로 우리들의 주변에서 흔히 일어나는 정전현상이나 정전기 응용실례, 정전기 자해, 재해에서는 필연적 전하의 미소한 이동, 즉 전류를 동반하고 있다.

  이러한 사실에도 불구하고 정전기라는 단어를 사용하고 있는 이유는 다소(多小)의 전하이동이 있더라도 그 전류로 인한 자계의 효과가 정전기가 보유하고 있는 자체의 전계효과에 비해 무시할 수 있을 정도로 작고 정전기에 기인한 현상들이 대부분 전계효과에 의해 지배를 받기 때문이다.

  이러한 면을 고려하면 정전기의 구체적 정의는 "전하의 공간적 이동이 적고, 그것에 의한 자계의 효과가 전계에 비해 무시할 수 있을 만큼 적은 전기"라고 확대하여 말할 수 있다.

 

정전기 발생현상

  정전기 발생의 역사는 고대 그리스의 타레스가 호박을 모피에 마찰한 결과 작은 먼지 등을 흡인하거나 반발시키는 힘이 발생하는 사실을 발견한 것을 그 기원으로 하고 있다.

 그 이후에 정전기에 대한 연구가 거듭되면서 정전기 현상의 원인이 규명되었으며, 산업사회의 고도화로 각종 석유화학공업, 고분자 및 전자공업 등이 발달하면서 정전기는 이제 하나의 장해, 재해 원인으로서 그 심각성이 대두되고 있다.

  일반적으로 서로 다른 물체를 마찰하면 두 물체의 표면에 정전기가 발생되므로 정전기를 마찰전기라고 부르고 있으나 두개의 다른 종류의 물질이 접촉된 후 서로 분리되면서도 정전기가 발생되므로 반드시 마찰에 의해서만 정전기가 발생하는 것은 아니다. 두 물체가 접촉한 후 분리할 때 발생되는 정전기 현상은 벨트와 풀리, 롤러와 비닐 및 천 등의 사이 그리고 유리판에 접착된 테이프 등이 분리될 때 등의 여러과정에서 발견되고 있다.

  이와 같이 서로 다른 두 물체가 접촉도었다가 분리될 때 두 물체의 표면에는 정전기가 발생하는데 이유는 다음과 같다.

  일반적으로 물질 내부에는 그 물질을 구성하는 입자사이를 자유롭게 이동하는 자유전자가 있으며, 그 입자(원자)들 사이에서 전기적인 힘에 의하여 속박(구속)되어 있는 구속전자가 있다. 그러나 실제로 정전기 발생에 기여하는 전자는 자유전자로서 물체에 빛을 쪼이거나 가열하는 등 외부에서 물리적 힘을 가하면 이 자유전자는 입자외부로 방출되는데 이때 필요한 최소 에너지를 일함수(work function)라 하며, 물체의 종류에 따라 서로 다른 고유한 값을 가지는데 eV(전자볼트)단위를 사용한다. 그리고 두종류의 다른 물체 A,B를 접촉시키면 표면에서 표면으로 전자가 이동하여 그 결과 A 물체 표면은 (+)로 B 금속표면은 (-)로 대전하여 전기적인 2중층이 형성된다. 이때 2개의 물체표면에 나타나는 접촉전위 V는 A물체의 일함수를 ΦA, B물체의 일함수를  ΦB라고 할때 두 일함수의 차이로서 주어진다.

위와 같이 전위가 발생한다.

한편 그 접촉전위를 전하량과 정전용량으로 나타내면 A에서 B로 이동한 전자의 전하량을 Q(coulomb), 두 금속표면의 전기이중층으로 인한 정전용량을 C(Farad) 라 하면

금속	일함수	금속	일함수
Mg	3.65~3.78	W	4.67
Zn	4.24	au	4.90
Cu	4.26	Ni	4.96
Hg	4.53	Pd	4.97
Ag	4.47 ~4.79	Pi	5.42
C	4.60

위의 표에서 나타난 각종 금속의 일함수의 차이로서 주어지는 접촉전위의 값은 대게 0.1~1eV정도이다.

 

Q=VC[C]

의 관계에서 그 접촉저위 V는

V=Q/C [V] 로 나타낸다.

금속표면의 산화, 흡착 기타 표면의 상태변화에 의해 다소 값이 차이는 있으나 각 물체는 위의 표와 같이 그 고유한 일함수 값을 가진다.