개념 한 쪽
정전기가 어떻게 생기고 어디에 쌓이는지를 묻는 문제다. 접촉과 분리로 전하가 남는 마찰대전의 원리가 한 축이고, 발생량을 좌우하는 요인과 축적되는 물질이 다른 축이며, 서로 다른 금속의 접촉전위차와 정전유도의 작용 방향이 세 번째 축이다.
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출제기준 단원 「정전기 발생원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 대전 현상 명칭 선택 | 1 | 접촉과 분리 반복으로 대전되는 현상의 이름을 고른다 |
| 발생 요인 아님 판단 | 1 | 정전기 발생 요인과 관계 먼 것을 고른다 |
| 정전기 설명 옳지 않음 판정 | 1 | 정전유도의 작용 힘 등 설명의 잘못을 고른다 |
정전기 발생의 기본은 두 물질의 접촉과 분리이다. 접촉면에서는 자유전자가 방출되고 흡수되어 어느 한쪽에 전하가 몰리는데, 두 물질이 분리되면 이 전하가 그대로 각 물질에 남는다. 접촉과 분리 과정이 계속 반복될 때 기계적 에너지가 전기 에너지로 바뀌어 대전이 커지는데, 이 현상이 마찰대전이다. 흔히 마찰이라고 부르지만 실제로 전하를 남기는 것은 접촉한 뒤 떨어지는 분리 동작이다.
발생량은 조건에 따라 달라진다. 접촉 면적과 압력이 클수록, 분리 속도가 빠를수록, 표면 상태가 거칠수록 많이 발생하고, 물의 음이온 같은 것은 발생 요인이 아니다. 비도전성 유체가 파이프 속을 흐를 때도 유체와 관벽의 접촉과 분리로 정전기가 생기는데, 이때 발생량은 유속의 1.5제곱에서 2.0제곱에 비례해 유속이 빨라지면 급격히 커진다.
발생한 전하는 모든 곳에 쌓이는 것은 아니다. 전하는 저도전율 액체, 절연성 물질, 전기적으로 절연 격리된 도전체에 축적된다. 접지된 금속 파이프 안의 분진처럼 전하가 곧바로 대지로 흘러나갈 수 있는 조건에서는 축적되지 않으므로 축적 요인과는 관계가 멀다.
서로 다른 두 금속을 접촉시키면 일함수의 차이만큼 전위차가 생긴다. 백금과 동이 접촉한 경우 일함수의 차이가 1.15eV이면 접촉전위차는 1.15V이고, 접촉면의 전하밀도는 유전율에 전위차를 곱하고 간격으로 나누는 식으로 구한다. 이미 대전된 물체를 가까이 대면 반대 부호의 전하가 유도되는 정전유도가 일어나는데, 이때 작용하는 힘은 인력이다. 반발력으로 단정하는 설명은 잘못이다.
축적된 전하가 방전하면 점화원이 된다. 폭발한계에 이른 메탄가스와 공기의 혼합기에서 착화한계전압은 착화 최소에너지와 극간 용량으로 구한다. 착화 최소에너지가 0.2mJ이고 극간 용량이 10pF이면 전압은 에너지 두 배를 용량으로 나눈 값의 제곱근, 곧 약 6325V이다.
원리를 묻는 문제는 접촉과 분리라는 낱말이 보이면 마찰대전으로 답한다. 요인 문제는 면적·압력·분리속도·표면상태의 넷을 채우고 물의 음이온 같은 낯선 보기를 골라 낸다. 축적 문제는 접지된 금속 파이프가 보이면 그것이 정답 후보이다. 정전유도의 힘은 인력이므로 반발력이라는 보기가 잘못된 설명이다. 착화한계전압은 두 배의 에너지를 용량으로 나눈 뒤 제곱근을 취하는 순서로 푼다.
두 물질 사이의 접촉과 분리 과정이 계속될 때 이에 따른 기계적 에너지에 의해 자유 전자가 방출 흡입되어 정전기가 발생하는 현상은?
정답 ④ · 두 물질의 접촉과 분리가 반복될 때 자유 전자의 방출·흡수로 대전되는 현상의 명칭을 묻는 문제다. 접촉·분리의 반복, 즉 마찰에 의해 자유전자가 이동하여 정전기가 발생하는 것을 마찰대전이라 한다.
두 물질의 접촉과 분리가 반복되며 자유전자가 방출·흡수되어 대전되는 것이 마찰대전이다.
정전기 발생의 요인으로 관계가 가장 적은 것은?
정답 ④ · 정전기 발생 요인과 관계가 적은 것을 고르는 문제다. 정전기 발생량은 접촉 면적과 압력이 클수록, 분리속도가 빠를수록, 표면이 거칠수록 증가하므로 표면상태, 접촉 면적 및 압력, 분리속도는 모두 주요 발생 요인이다.
정전기는 접촉 면적·압력, 분리속도, 표면상태에 좌우되며, 물의 음이온은 발생 요인이 아니다.
다음은 정전기에 관련한 설명이다. 잘못 된 것은?
정답 ① · 정전기에 관한 설명 중 잘못된 것을 고르는 문제이다. 정전유도는 대전체가 접근하면 도체 표면에 반대 부호의 전하가 모이게 되는 현상으로, 그 결과 인력이 작용한다.
정전유도는 반대 부호 전하를 유도해 인력을 작용시키므로 '반발력이다'는 단정이 틀린 설명이다.
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