겨울에는 추위를 막아주는 털옷이나 스웨터가 없어서는 안 될 필수품이 되지만, 입고 벗을 때 따끔하게 튀기는 불꽃은 우리를 깜짝 놀라게 만들곤 한다. 사계절 중에서도 건조하고 습도가 낮은 겨울에 많이 생기는 불청객, 정전기! 하지만 이러한 정전기가 있기 때문에 우리가 생활을 조금 더 편리하게 할 수 있는 것이다.
정전기의 원리를 이해하기 위해서는 우선 (+)전하와 (-)전하의 이동에 대해 생각하면 쉬워진다. 물질을 구성하고 있는 원자는 (+)전하를 띠고 있는 양성자의 수와 (-)전하를 띠고 있는 전자의 수가 같기 때문에 전기를 띠지 않는 중성이다. 이와 달리 마찰 후 두 물체가 서로 다른 전기를 띠게 되는 것을 마찰 전기라 하고, 다른 물체로 이동하지 않고 물체 위에 정지하고 있기 때문에 정전기라고도 한다.
일상적으로 자주 사용하고 우리 곁에 흔하게 두고 쓰는 복사기도 바로 이 정전기의 원리를 이용한 것이다. 복사기는 1936년 미국에서 전자회사 직원이었던 체스터 칼슨에 의해 발명되었다. 그가 발명한 복사기의 원리는 토너의 검은 탄소가루가 정전기에 의해 쇠로 만든 원통(드럼)에 달라붙었다가 다시 정전기에 의해 종이 위에 달라붙게 하는 것이다.
복사기 유리 위에 원본 종이를 얹어 복사버튼을 누르면 불빛이 지나가면서 종이에 그 빛이 닿았다가 드럼 쪽으로 반사된다. 드럼의 표면에는 반도체 물질인 셀레늄이 발라져 있는데, 셀레늄은 평소에는 (+)전하를 띠지만 빛을 받으면 (-)전하를 띠는 성질이 있다. 종이의 흰 부분에 반사된 빛이 드럼에 닿으면 (-)전하를 띠고, 글자가 있는 검은 부분은 빛을 모두 흡수하기 때문에 반사되지 않는다.
토너의 검은 탄소가루를 전류로 (-)전하를 띠게 만들어 글자가 있는 검은 부분에만 달라붙도록 한다. 이 과정을 거친 후 종이를 다시 밀착시켜 종이 뒤에서 강한 (+)전하를 발사하면 드럼에 붙어 있는 (-)전하의 토너가루는 종이로 다시 옮겨 붙는다. 여기에 180도 정도의 열을 가하면 토너가루 입자들은 종이에 영원히 달라붙게 된다. 고온의 열 때문에 방금 복사한 종이가 따뜻한 것이다. 최근에 사용되는 컬러 복사기 역시 동일한 원리로 노랑, 빨강, 파랑의 삼원색의 컬러 토너가루를 사용하여 기본 작업을 세 차례 이상 반복하여 복사된다.
정전기의 힘은 중력이나 마찰력만큼이나 우리가 사는 세상을 지배하고 있다. 전자와 전자가 서로 밀치는 힘은 물체들이 서로 뒤섞이지 않게 하는데 이를테면 손가락이 물체를 뚫고 지나갈 수 없는 것은 손에 있는 전자를 물체의 전자가 밀쳐내기 때문이다. 우리가 만지는 것들은 모두 정전기의 힘이 작용되는 것이다.
머리를 빗고 난 뒤 머리카락이 사방으로 뻗치는 현상도 같은 원리이다. 빗과 마찰한 머리카락은 빗과 서로 다른 전기를 띠게 되는데, 머리카락들이 모두 같은 전기를 띠게 되므로 머리카락 사이에는 밀어내는 힘인 척력이 작용하여 서로 밀어내게 되는 것이다. 그리고 이런 현상은 건조한 겨울에 더 심하다.
남자는 정전기가 4,000볼트 이상이 되어야 느끼지만 여자는 2,500볼트 정도만 되어도 느끼고, 남자보다 여자의 피부가 민감하여 쉽게 건조해져 정전기가 나타나기 쉽다. 땀을 많이 흘리는 뚱뚱한 사람보다 마른 사람과 노인에게서 정전기가 더 잘 생기는 까닭도 건조함 때문이다.
정전기는 흐르지 않고 멈춰 있을 때 그 위력을 발휘할 수 있으므로 가장 좋은 방지법은 정전기를 흐르게 만드는 것이다. 머리빗으로는 플라스틱, 금속으로 된 빗보다 나무로 된 빗을 사용하고, 털옷, 스웨터 등의 외투 안이나 소매 끝에 클립을 끼워두면 정전기가 생기지 않는다. 클립이 몸에 생긴 정전기를 모아 방전시켜주는 역할을 한다. 땅에 쇠사슬이 끌리게끔 달아놓은 자동차도 정전기 방전을 위한 것이다. 도체로 만들어진 쇠사슬을 달아놓으면 자동차가 달리는 동안에 공기와의 마찰로 인해 자동차 표면에 발생하는 정전기를 쇠사슬을 통하여 땅으로 흐르게 한다.
가끔 우리를 깜짝 놀라게 하는 정전기가 없어졌으면 좋겠다고 생각할 때도 있지만 그러기엔 유용한 면이 훨씬 많기에 우리에게 정전기란 필수불가결한 존재이다. 생활의 작은 불편함을 어쩔 수 없다고 생각하면서 넘기기보다는 소소한 지식을 활용하여 대처하는 현명함을 가져보는 건 어떨까.
글 : 이상화 과학칼럼니스트
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