전기력과 쿨롱 법칙

학습 목표

전자가 원자에 속박되어 있음을 전기력을 이용하여 정성적으로 설명할 수 있다.

핵심 키워드 조직도

※학습 목표 및 핵심 키워드 조직도 분석

통합과학 시간에 물질을 전기적 성질과 자기적 성질에 따라 각각 분류했고, 그 성질에 대해 알아보았다. 물리학1에서는 물질이 전기적 성질에 따라 도체, 부도체, 반도체로 분류되는 본질적인 이유와 자기적 성질에 따라 강자성체, 상자성체, 반자성체로 분류되는 본질적인 이유를 배우게 된다.

 

이 단원은 물질을 구성하는 기본 단위인 원자의 구조에 대한 이야기로 시작된다. 안정적인 원자 구조를 가능하게 하는 전기력의 성질을 쿨롱 법칙으로 서술하고, 더 나아가 원자의 안정성을 설명하기 위한 원자 모형의 필연적인 변천사를 살펴볼 것이다.

 

1. 쿨롱 법칙

호박을 문지르면 옷자락이나 먼지 같은 것들이 달라붙는다는 것은 고대 그리스 시대 때부터 알려졌다. 전기를 뜻하는 단어들(영어: electricity, 프랑스어: électricité, 독일어: Elektrizität)은 호박을 뜻하는 고대 그리스어: ήλεκτρον 엘렉트론]이 기원했다. 

 

과학자들은 이와 같은 전기 현상을 일으키는 원인을 질량에 대응되는 '전하'란 개념을 도입하여 설명했다. '전하'란 전기 현상을 일으키는 원인으로 양(+)전하와 음(-)전하가 있고, 같은 종류의 전하끼리는 밀어내는 척력이 작용하고 다른 종류의 전하끼리는 끌어당기는 인력이 작용한다.

마찰에 의한 대전

호박을 비롯한 모든 물체는 원래 전자와 양전하 수가 같기 때문에 전기적으로 중성이다. 

이때 다른 물체끼리 서로 문지르면 두 물체 사이에서 전자가 이동하여 전하의 균형 상태가 깨지게 된다. 상대적으로 전자의 개수가 많은 물체는 음전기를 띠게 되고, 양전하의 개수가 많은 물체는 양전기를 띠게 된다. 이처럼 전기적으로 중성이었던 물체가 전기를 띠게 되는 현상을 '대전'이라고 한다. 이처럼 대전된 물체끼리는 어떠한 힘이 발생하게 되는데 이러한 힘을 '전기력'이라고 한다.

 

이러한 전기력의 크기를 정량화한 사람이 '쿨롱'이고, 쿨롱은 뉴턴의 만유인력 법칙을 차용하여 전하들의 전하량과 전하들끼리의 거리로 전기력 크기를 다음과 같이 정의했다.

k는 유전상수, G는 만유인력 상수

이때 뉴턴 제3법칙에 따라 각 물체에 작용하는 전기력은 서로 크기가 같고 방향이 반대이다.

 

마찰할 때 전자가 이동하는 이유

서로 다른 물체(A와 B)를 마찰시키면 마찰에 의한 열에너지로 전자들의 운동이 더욱 활발해진다. 이런 상태에서 A원자핵 전하량이 B원자핵 전하량보다 크다면 B의 전자는 A의 원자핵에게 더 강하게 이끌리기 때문에 B의 전자들이 A로 이동하게 된다.

 

그렇기 때문에 같은 물체끼리 백날 비벼봤자 물체는 대전되지 않는다.

 

2. 기출문제 풀어보기

14년도 7월 학평 물리1 8번/ 정답률 79%

답: 3번

 

14년도 3월 학평 물리1 8번/ 정답률 55% (보기 4번, 5번 무시)

답: 3번

 

21년도 6월 모평 물리1 19번/ 정답률 62%

답: 1번