도체와 절연체

도체와 절연체 금속체, 수돗물 등의 물질 내에서는 음전하가 자유롭게 움직일 수 있다. 이런 물질을 도체라고 부른다. 유리나 화학적으로 정제한 물 또는 플라스틱 같은 물질에서는 어떤 종류의 전하도 자유롭게 이동할 수 없다. 이러한 물질을 부도체 또는 절연체라고 부른다.

구리 막대를 손에 쥐고 모피로 막대를 문지르면 손과 막대가 모두 도체이기 때문에 구리 막대를 대전시킬 수 없다. 이런 경우에 구리 막대와 모피가 마찰하여 막대에는 전하의 불균형이 나타나지만 몸을 통하여 지표면으로 이동하므로 구리 막대는 재빨리 중성으로 된다. 물체와 지표면 사이에 이와 같은 도체의 통로가 형성된 경우에 물체가 접지되었다고 한다. 그리고 물체가 중성으로 되는 경우에 방전되었다고 한다. 구리 막대를 손으로 직접 쥐는 대신에 절연 손잡이로 쥔다면 지표까지의 전도 통로는 끊어지게 된다. 직접 손으로 구리 막대를 접촉하지 않는 한 마찰에 의해서 막대를 대전시킬 수 있다.

구리와 같은 도체의 원자들이 모여서 고체상태를 이루면 각각의 원자에 속해 있는 최외각전자 중의 일부가 원자에 구속되지 않고 고체 속을 자유로이 움직이게 된다. 이러한 전자를 자유전자라고 부른다. 부도체인 경우에는 자유전자가 없거나 있다 하더라도 극소수이다.

전기적으로 중성인 고립된 구리 막대의 양 끝을 양이나 음으로 대전 된 플라스틱 막대에 가까이 가져가면 끌리게 된다. 구리 막대의 자유전자들이 플라스틱 막대의 음전하에 의해서 막대의 먼 쪽 끝부분으로 밀려나게 된다. 이때 플라스틱 막대의 음전하는 구리 막대의 가까운 쪽에 남아 있는 양전하를 끌어당겨서 막대의 가까운 쪽 끝부분을 양전하로 대전시키게 된다. 이와 마찬가지로 양으로 대전 된 유리막대를 중성인 구리 막대의 근처로 가져오면 자유전자들이 막대의 끝부분으로 끌어당겨지면서 유도전하가 생기게 된다. 이때 가까운 쪽은 음으로 대전 되고 먼 쪽은 양으로 대전 된다. 비록 구리 막대가 아직도 중성이더라도 두 막대는 서로 끌어당기게 된다. 이러한 유도현상에서 음으로 대전 된 전자만이 움직일 수 있다는 것을 주목할 필요가 있다. 물체에서 음전하를 제거하면 양으로 대전 된다.

실리콘과 게르마늄과 같은 반도체는 도체와 절연체의 중간 상태에 해당하는 물질이다. 오늘날 우리들의 생활을 바꾸어 놓은 미시 전자공학의 혁명은 반도체로부터 비롯된 것이다.

마지막으로 물질 안에서 전하가 전혀 저항받지 않고 이동하기 때문에 이름이 붙여진 초전도체가 있다. 전하가 물질 않을 이동할 때 물체에 전류가 흐른다고 말한다. 보통의 물체는 물론 도체 안을 흐르는 전하는 저항을 받는다. 예를 들어 전기기구에 쓰이는 도선은 매우 좋은 도체이지만 이러한 도선을 따라 흐르는 전하는 약간의 저항을 받게 마련이다. 그러나 초전도체인 경우는 전류 대한 저항이 전혀 없다. 정확하게 말하여 저항이 0인 것이다. 초전도체로 만들어진 고리에 전류를 흘리고 나면 전류를 지속해서 유지하기 위한 에너지원이나 전지가 없어도 전류가 변함없이 흐르는 것을 볼 수 있다.

전하는 양자화되어 있다

벤저민 프랭클린 시대에는 전하를 연속적인 유체로 생각하였다. 이렇게 생각하면 해석하거나 시험하고 이해하는데 여러 방면으로 유용한 측면이 있기 때문이다. 그러나 오늘날에는 전하가 공기 또는 물처럼 연속적인 것이 아니고 불연속적 입자인 원자와 분자로 만들어졌다는 것을 알게 되었다. 즉, 물질은 불연속적이다.

실험을 통하여 "전기적인 유체가 연속이 아니라 어떤 기본 전하로 이루어져 있음을 알 수가 있다. 어떤 물리량이 연속적인 임의의 값이 아니라 불연속적 감만을 가질 수 있을 때 그 물리량이 양자화되어 있다고 한다. 우리는 물질, 에너지 및 각운동량이 양자화되어 있다는 것을 이미 알고 있다. 전하는 양자화된 중요한 물리량이다. 전하의 크기는 작다. 예를 들어 보통 100W 전구의 경우에 초당 약 10개의 기본전하가 전구를 통해서 들락거린다. 우리가 물속을 손으로 뒤졌더라도 개개의 물 분자를 감지할 수 없는 것과 같이, 전하 알갱이는 거시현상에서는 보이지 않는다.

전하는 보존된다

유리막대를 비단으로 문지르면 막대에 양전하가 생기게 된다. 이때 비단에는 같은 양의 음전하가 생기는 것을 측정해 보면 금방 알 수 있다. 이런 경우에 문지르는 행위가 전하를 만들어 내는 것이 아니라 문지름에 의해서 전기적으로 중성인 각각의 상태가 깨지면서 한 물체에서 다른 물체로 전하가 이동하였기 때문이다. 벤저민 프랭클린이 처음으로 제창한 전하의 보존에 대한 가설은 거시적인 크기의 대전체뿐만 아니라 원자, 원자핵 및 기본입자에 대해서도 완벽하게 성립함을 실험적으로 확인할 수 있다. 여태까지 어떤 예외도 발견되지 않았다. 따라서 보존법칙을 따르는 물리량인 에너지와 선운동량 및 각운동량에 전하를 추가시켜야 한다. 한 원자핵이 다른 원자핵으로 자발적인 변환이 되는 원자핵의 방사능 붕괴는 원자핵 수준에서도 전하가 보존된다는 사실을 보여 준다.

공 모양 도체 과잉전하를 도체로 만든 공 모양의 껍질 위에 놓았다면 과잉전하는 표피(외부 표면) 위에 골고루 퍼진다. 예를 들면 공 모양의 금속 껍질로 된 도체 위에다 과잉전자를 놓는다면, 이들 전자는 서로 밀쳐서 멀리 떨어지려고 이동하게 되며, 전하들이 균일하게 분포될 때까지 가능한 한 표면 위에 퍼져서 덮이게 될 것이다. 이 전자들은 과잉전자들의 모든 쌍 사이의 거리가 최대가 되도록 분포한다. 껍질 정리에 따르면 과잉전자들은 마치 그들이 껍질의 중심에 집중된 것처럼 외부에 있는 전하를 당기거나 밀어낼 것이다. 만약에 공 모양의 도체 껍질로 된 물체에서 음전하를 제거하면 그 껍질 위에 남게 되는 양전하 또한 껍질 표면에 골고루 퍼져서 덮이게 될 것이다. 예를 들어 4개의 전자를 제거했다면 껍질의 표면에 걸쳐서 골고루 퍼져서 덮이게 되는 2개의 양전하 자자(전자가 빠져나간 자리)가 생긴다. 껍질 정리에 따르면, 이 껍질은 마치 껍질의 전하가 껍질의 중심에 집중된 것처럼 외부 전하를 당기거나 밀어낼 것이다.