전하
전자 하나의 전하 크기는 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C입니다. 따라서 1 C은 전자 약 624경 개의 전하 크기에 해당합니다.
문지른 풍선은 왜 벽에 붙을까요
풍선을 털옷에 문지르면 풍선이 아무것도 없이 저절로 벽에 붙어 있습니다. 비닐 랩은 그릇에 달라붙고, 건조기에서 꺼낸 양말은 셔츠에 붙은 채로 나오고, 마른 머리를 빗은 빗은 작은 종잇조각을 끌어당깁니다. 사람들은 이미 수천 년 전에 호박(나무 진이 굳은 화석)에서 같은 일을 보았습니다. 잘 닦은 호박은 짚 부스러기를 자기 쪽으로 끌어당깁니다. 영어의 electric이라는 낱말도 호박을 뜻하는 그리스어 elektron에서 왔습니다. 이 모든 현상은 전하(electric charge)가 일으키는 것입니다. 그리고 어느 경우든 두 물질을 서로 문지르는 동안 전하가 그 자리에 생겼습니다.
전하는 두 종류입니다
문지른 막대로 실험해 보면 전하는 정확히 두 종류뿐이라는 것을 알 수 있습니다. 유리 막대 두 개를 비단으로 문지르고 서로 가까이 매달아 두면, 두 막대는 서로 밀어냅니다. 문지른 비단 두 장도 서로 밀어냅니다. 그런데 유리 막대와 비단은 서로 끌어당깁니다. 벤저민 프랭클린은 이 두 종류의 전하에 양(+)과 음(−)이라는 이름을 붙였습니다. 이 규칙은 아주 짧습니다. 같은 종류끼리는 밀어내고, 다른 종류끼리는 끌어당깁니다. 이 힘은 전하끼리 멀어질수록 약해집니다. 그래서 풍선이 벽에 붙으려면 벽에 닿거나 거의 닿을 만큼 가까이 있어야 합니다.
그렇다면 전하는 어디에서 오는 걸까요? 모든 원자의 가운데에는 양전하를 띤 양성자로 된 원자핵이 있고, 대부분의 원자핵에는 전하가 없는 중성자도 있으며, 그 둘레에 음전하를 띤 전자가 있습니다. 보통의 원자는 전자의 수와 양성자의 수가 같습니다. 그래서 원자 전체의 전하는 0이고, 우리는 이런 상태를 중성이라고 부릅니다. 양성자는 원자핵 안에 단단히 묶여 있지만, 전자 가운데 일부는 느슨하게 붙어 있습니다. 두 물질을 문지르면 이런 전자가 한쪽 표면에서 다른 쪽 표면으로 끌려갑니다. 호박을 비단으로 문지르면 호박은 전자를 얻어 음전하를 띠고, 비단은 전자를 잃어 양전하를 띱니다. 이 과정에서 새로 만들어진 전하는 하나도 없습니다. 전하는 그저 자리를 옮겨 갔을 뿐입니다.
전하의 양: 쿨롬
전하의 양은 쿨롬(coulomb)이라는 단위로 재고, C로 씁니다. 보통 물질에서 따로 떨어져 있는 가장 작은 전하는 양성자 하나의 전하이고, 이것을 기본 전하 e라고 합니다. 2019년부터 그 값은 e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C로 정확히 정해져 있습니다. 전자 하나는 −e를, 양성자 하나는 +e를 가집니다. 전자 하나는 1 C의 아주 작은 조각에 지나지 않기 때문에, 1 C에는 엄청나게 많은 전자가 들어갑니다. 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸개입니다. 어떤 물체가 가진 전하든 그 양은 언제나 e의 정수배로만 나옵니다. 3e나 1,000,000e는 있어도 2.5e는 없습니다. 물리학자들은 이것을 두고 전하가 양자화되어 있다고 말합니다.
두 번째 규칙은 전하 보존(conservation of charge)입니다. 바깥과 아무것도 주고받지 않는 고립된 계의 전체 전하는 결코 변하지 않습니다. 예를 들어 풍선을 머리카락에 문지르면 풍선이 얻은 음전하와 머리카락이 얻은 양전하는 크기가 정확히 같습니다. 그래서 둘을 더하면 여전히 0입니다. 문지른 풍선부터 입자 충돌 실험까지, 이 규칙이 깨진 경우는 지금까지 관찰된 적이 없습니다.
도체와 절연체
금속에서는 일부 전자가 어느 한 원자에 묶여 있지 않습니다. 이런 자유 전자는 금속 덩어리 전체를 돌아다닐 수 있고, 그래서 금속 속에서는 전하가 쉽게 이동합니다. 이런 물질을 도체(conductor)라고 부르며, 구리, 알루미늄, 은, 금이 좋은 도체입니다. 반면 플라스틱, 고무, 유리, 마른 공기에서는 거의 모든 전자가 제 원자에 붙어 있어서 전하가 거의 움직이지 않습니다. 이런 물질은 절연체(insulator)라고 부릅니다. 집 안에서 쓰는 전선은 이 두 가지를 모두 씁니다. 안쪽의 구리가 전하를 나르고, 바깥을 감싼 플라스틱이 그 전하가 여러분의 손에 닿지 않게 막아 줍니다. 문질러서 전하를 만드는 일은 절연체에서 가장 잘 됩니다. 절연체에서는 옮겨 놓은 전하가 퍼져 나가 버리지 않고 놓아둔 그 자리에 머물기 때문입니다.
머물러 있는 전하에서 흐르는 전하로
문지른 풍선은 무언가에 닿을 때까지 전하를 그대로 붙들고 있습니다. 전지는 이와 다릅니다. 전지는 닫힌 전선 고리를 따라 전하를 쉬지 않고 계속 밀어 보냅니다. 아래의 회로 실험실에서 파란 점들은 전선 속을 움직이는 전자를 나타냅니다. 아래 표는 1초에 전지를 지나는 전하가 몇 쿨롬인지 세고, 그것을 전자의 개수로 바꿔 보여 줍니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
| 기본 전하 e | 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C(정확한 값) |
| 쿨롬(C) | 전하의 단위, 전자 약 6.24 × 10¹⁸개 |
| 같은 종류의 전하 | 서로 밀어냅니다 |
| 다른 종류의 전하 | 서로 끌어당깁니다 |
| 전하 보존 | 고립된 계의 전체 전하는 변하지 않습니다 |
| 도체 | 자유 전자가 있는 물질, 예: 구리 |
| 절연체 | 전하가 거의 움직이지 않는 물질, 예: 플라스틱 |
- 전하는 두 종류이고, 같은 종류는 밀어내고 다른 종류는 끌어당깁니다.
- 문지르면 전자가 옮겨 가며, 얻은 쪽은 음전하, 잃은 쪽은 양전하를 띱니다.
- e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C, 1 C ≈ 전자 6.24 × 10¹⁸개.
- 전하는 보존되고 언제나 e의 정수배입니다.
- 도체에는 자유 전자가 있고 절연체에는 거의 없습니다.
- 양전하 막대를 음전하 공에 가까이 가져갑니다. 어떻게 될까요?
- 끌어당깁니다
- 밀어냅니다
- 아무 일도 없습니다
- 비단으로 문지른 호박이 음전하를 띱니다. 무슨 일이 있었을까요?
- 호박이 전자를 얻었습니다
- 호박이 양성자를 얻었습니다
- 비단이 전자를 얻었습니다
- 1 C은 전자 몇 개일까요? 10¹⁸ 단위로 소수 둘째 자리까지 쓰세요.
- 풍선이 전자 10¹²개를 더 얻었습니다. 전하의 크기는 10⁻⁷ C 단위로 얼마일까요? (소수 둘째 자리)
- 물체가 가질 수 없는 전하는?
- 2.5 e
- 3 e
- −1,000 e
- 풍선을 문지르는 동안 머리카락이 +5 nC을 얻었습니다. 풍선은?
- −5 nC
- +5 nC
- 0
- 좋은 도체는?
- 구리
- 고무
- 마른 유리
- 플라스틱
- 전선 바깥은 왜 플라스틱일까요?
- 플라스틱은 절연체라서
- 플라스틱이 전류를 더 잘 날라서
- 플라스틱이 전하를 저장해 두려고
- 양성자가 6개인 중성 원자의 전자 수는?
- 6
- 0
- 12
- 3
- 실험실에서 1초에 0.5 C이 전지를 지납니다. 1초에 전자 몇 개일까요? 10¹⁸ 단위, 소수 둘째 자리.
이 과정의 출처 (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
확인한 날: 2026-10-17