문지르지 않은 캔은
왜 끌려올까?
지난 시간에 우리는 규칙 하나를 세웠습니다. 같은 전하끼리는 밀어내고, 다른 전하끼리는 끌어당긴다. 이 규칙으로 설명이 되는지, 영상을 하나 보고 이야기해 봅시다.
비비지도 않았는데 어떻게 움직이게 할 수 있었을까요? 오늘 수업이 끝나면 설명할 수 있습니다.
보면서 챙길 것 — ① 풍선은 털가죽에 문질렀습니다. ② 캔은 문지르지 않았습니다. ③ 그런데도 캔이 풍선을 따라 굴러옵니다.
캔이 끌려온다는 건 캔과 풍선 사이에 끌어당기는 힘, 인력이 작용했다는 뜻입니다.
지난 시간에 배운 바로 그 전기력이죠.
그런데 전기력은 전기를 띠는 두 물체 사이에 작용하는 힘이었습니다.
여기서 이상해집니다. 풍선은 문질렀지만 캔은 문지른 적이 없어요.
마찰시키지도 않은 캔에 어떻게 전기가 생겨서 전기력이 작용한 걸까요?
🔗 규칙 되짚기 — 전기력의 방향
전기를 띠는 두 물체 사이에 작용하는 힘을 이라고 했지요. 전기력의 방향은 두 물체가 띠는 의 종류로 정해집니다.
🤔 규칙대로라면 아무 일도 없어야 했다
규칙을 다시 읽어 봅시다. 전기를 띠는 두 물체 사이에 작용하는 힘 — 전기력.
그러면 한쪽이 전기를 전혀 띠지 않은 물체라면요?
밀어낼 전하도, 끌어당길 전하도 없으니 아무 일도 안 일어나야 맞잖아요.
그런데 캔은 끌려왔습니다. 방금 영상에서 함께 본 사실이에요.
그렇다면 둘 중 하나입니다 —
규칙이 틀렸거나, 아니면 우리가 무언가를 놓쳤거나.
오늘 수업은 정확히 이 지점에서 시작합니다.
도입 — "마찰하지 않은 금속 공이 끌려가는 까닭은 무엇일까?"
문지르지 않은 캔은 왜 끌려올까?
지금은 정답을 맞히는 시간이 아닙니다. 시험해 볼 설명 하나를 고르는 거예요. 골라 두면 2단계에서 그 설명이 정말 맞는지 직접 시험합니다. 마음에 드는 게 없으면 자기 설명을 공책에 적어 두어도 좋아요.
우리 가설이 맞다면, 이렇게 되어야 합니다
좋은 가설은 앞일을 예측합니다. 그리고 그 예측이 빗나가면 가설은 버려야 하죠. 먼저 우리가 본 것을 확정한 뒤, 방금 고른 가설을 시험해 봅시다. 가설이 무너져도 괜찮아요 — 오히려 그게 오늘 배울 것이 있다는 뜻입니다.
🧪 실험은 이렇게 합니다
- 책상 위에 빈 알루미늄 캔을 눕혀 놓습니다. (문지르지 않은 캔입니다)
- 플라스틱 빨대를 털가죽으로 여러 번 문지릅니다.
- 문질러서 (−)전하를 띠게 된 빨대를 캔에 가까이 합니다. 닿지는 않게 합니다.
털가죽으로 문질러 (−)전하를 띤 빨대를 빈 알루미늄 캔에 가까이 하면?
버튼을 눌러 관찰해 보세요.
우리가 이미 본 장면이라 다들 맞혔을 거예요. 오늘의 문제는 "무슨 일이 일어나나"가 아니라 "왜 그런가"입니다.
이번엔 빨대를 문질렀던 (+)전하를 띤 털가죽을 같은 캔에 가까이 하면?
버튼을 눌러 관찰해 보세요.
빨대를 털가죽으로 문지르면 빨대는 (−)전하, 털가죽은 (+)전하를 띱니다. 부호가 정반대죠. 그래서 우리 가설대로라면 결과도 반대가 나와야 합니다.
부호를 바꿔도 결과는 똑같았다
(−)를 가까이 해도 끌려오고, (+)를 가까이 해도 끌려왔습니다.
캔은 분명히 문지른 적이 없는데 말이죠.
우리 가설은 여기서 무너집니다.
캔이 원래 (+)전하를 띠고 있었다면, (+)를 띤 털가죽에는 밀려났어야 합니다.
캔이 (−)를 띠고 있었다면 (−)빨대에 밀려났어야 하고요.
어느 쪽으로도 설명이 안 됩니다.
캔이 정해진 전하를 띠고 있었다는 설명은 틀렸어요.
그렇다면 남는 설명은 하나뿐입니다 —
대전체를 가까이 하는 순간, 캔 안에서 무언가가 움직였다.
다음 단계에서 그 '무언가'를 직접 움직여 봅시다.
캔은 중성이었지만, 캔 속은 가만히 있지 않았다
캔 전체가 띠는 전하는 처음에도 지금도 0입니다. 바뀐 건 전자가 어디에 모여 있는가 하나뿐이에요. 직접 움직여 봅시다.
⚡ 정전기 유도 실험실
대전체의 전하 종류, 거리, 물체의 재질을 바꿔 보세요. 거리를 바꾸면 대전체가 움직입니다 — 물체는 제자리예요. 원자핵(+)은 붙박여 있고 전자(−)만 움직입니다.
조작판
네 가지 조합을 모두 확인해 보세요. 대전체의 부호를 바꿔도, 재질을 바꿔도 결과는 언제나 끌어당김이라는 것이 이 차시의 결론입니다.
📋 실험 기록표
조건을 바꾼 뒤 조작판의 📌 지금 조건 기록하기를 누르면 한 줄씩 쌓입니다. 네 가지 조합에 거리를 바꾼 줄까지 더해 네 줄 이상 모아 보세요.
| 대전체 | 재질 | 거리 | 가까운 쪽 | 먼 쪽 | 힘의 방향 | 세기 |
|---|
🔎 표를 보니 어떤 규칙이 보이나요?
조건을 바꿔도 끝내 바뀌지 않은 칸이 어디인지 찾아, 한 문장으로 써 보세요.
✔ 저장됨바뀐 것은 가까운 쪽·먼 쪽의 전하 부호(대전체의 전하를 바꿀 때)와 힘의 세기(거리를 바꿀 때)뿐이었다. 물체 전체가 띠는 전하는 내내 0이었다는 것도 함께 확인해 두자.
📌실제 물체 안에는 전자가 셀 수 없이 많습니다. 화면에는 눈에 보이게 하려고 몇 개만 골라 그렸어요. 전자의 개수·크기·간격은 실제 비율이 아닙니다.
📖 그래서 이 현상의 이름은
전기를 띠지 않은 물체에 대전체를 가까이 하면,
대전체와 가까운 쪽은 대전체와 종류의 전하를 띠고
먼 쪽은 종류의 전하를 띱니다.
이러한 현상을 라고 해요.
가까운 쪽이 언제나 반대 전하가 되므로, 대전체와 물체 사이에는 늘
끌어당기는 전기력, 곧 이 작용합니다. 두 번의 관찰이 똑같았던 까닭이 이것입니다.
아래 네 낱말도 설명을 먼저 읽고, 무슨 말인지 떠올린 뒤에 눌러 보세요.
금속이 아닌 종이에서는 전자가 물체 전체를 가로지르지 못하고 원자 안에서 살짝 치우치기만 합니다. 그래도 가까운 쪽이 반대 전하가 되므로 똑같이 끌려와요.
🙋 자주 나오는 질문 — "유도된다"가 무슨 말이에요?
유도(誘導)는 "꾀어서 이끌어 낸다"는 뜻입니다. 캔이 스스로 전기를 띤 게 아니에요 — 곁에 온 대전체가 캔 속 전자를 밀고 당겨서, 숨어 있던 전하가 양 끝에 드러나도록 이끌어 냈다는 뜻입니다. 그래서 이끌어 낸 원인(대전체)이 사라지면, 전하도 곧바로 제자리로 돌아가 다시 숨어요.
대전 — 물체가 전자를 실제로 잃거나 얻어서 전체 전하량이 0이 아니게 된 상태. 마찰을 멈춰도 전기를 띤 채 남습니다. (1차시의 마찰 전기가 이것)
유도 — 전자가 물체 안에서 자리만 옮긴 상태. 전체 전하량은 여전히 0이고, 대전체를 치우면 즉시 원래대로 돌아갑니다.
한 줄로: 대전은 전자가 드나든 것, 유도는 전자가 안에서 쏠린 것.
→ 아닙니다. 그 자리에도 전자는 여전히 있습니다. 전자가 몇 개 빠져나가서 (−)전하의 양이 (+)전하의 양보다 적어진 것뿐이에요. 반대쪽도 마찬가지 — (−)를 띠는 쪽에 (−)만 있는 게 아니라 (−)가 더 많아진 것입니다.
→ 아닙니다. 움직이는 것은 전자뿐입니다. 원자핵은 제자리에 붙박여 있어요. 실험실에서 원자핵이 한 칸도 움직이지 않는 것을 확인해 보세요.
🧪 교실에서 해 보기 — 닿지 않아도 움직인다
오늘 배운 유도를 손으로 확인하는 두 가지실험 이름을 누르면 준비물과 방법이 펼쳐집니다.
1알루미늄 캔 경주
교실에서 직접
- 캔을 옆으로 눕혀 바닥에 놓습니다.
- 풍선을 머리카락에 문질러 대전시킵니다.
- 풍선을 캔 앞 3~5 cm에 두고 아주 천천히 뒤로 물러납니다.
- 모둠별로 5 m 릴레이 경주를 해 보세요. 캔을 떨어뜨리면 처음부터!
👀 여기를 보세요 — 캔이 풍선을 따라 굴러옵니다. 풍선이 캔에 닿아 버리면 오히려 멈추거나 밀려나기도 해요.
왜 그럴까?
가까운 쪽의 끌어당기는 힘이 먼 쪽의 미는 힘보다 크기 때문에(가까울수록 힘이 세니까) 전체적으로 끌려오는 거예요.
풍선이 닿으면 전하가 실제로 옮겨 가 캔도 (−)를 띱니다. 그러면 같은 부호끼리라 밀려나죠 — 그래서 닿으면 실패합니다.
💡캔이 안 움직이면 마른 천으로 캔 표면을 닦아 보세요. 바닥이 카펫이면 절대 안 됩니다.
2잼병 검전기 만들기
교실에서 직접
- 뚜껑 가운데에 구멍을 뚫고 구리선을 통과시킵니다.
- 병 안쪽 끝을 ㄱ자로 구부리고, 아주 얇게 자른 호일 두 장(1×3 cm)을 걸칩니다.
- 병 바깥쪽 끝은 동그랗게 말아 호일 공을 만듭니다.
- 대전체를 ①가까이만 대 보고, 다음엔 ②직접 닿게 해 봅니다.
👀 여기를 보세요 — ①가까이만 대면 벌어졌다가 치우면 다시 닫힙니다. ②닿게 하면 치워도 계속 벌어져 있어요.
왜 그럴까?
①가까이만 = 정전기 유도. 전하가 병 안에서 자리만 옮겼을 뿐 들어오지도 나가지도 않았어요. 그러니 대전체를 치우면 원래대로 돌아갑니다.
②닿게 = 대전. 전하가 실제로 옮겨 와 검전기에 남습니다. 치워도 그대로죠.
금속박이 벌어지는 건 두 장이 같은 부호를 띠어 서로 밀어내기 때문입니다.
💡병 안이 축축하면 전하가 새어 나갑니다. 마른 날에 하거나 병 안에 건조제를 하루 넣어 두세요.
🔬 가상실험실에서 더 해 보기
직접 조작해 보면 훨씬 잘 보입니다. 새 창에서 열려요.
🎈 풍선과 정전기 (PhET) 문지른 풍선을 벽에 가까이 대 보세요. 벽 속 전하가 밀려나며 풍선이 벽에 붙습니다 — 오늘 배운 정전기 유도 그대로예요. 🧲 전기력선 (자바실험실) (+)전하와 (−)전하를 놓아 보세요. 대전체 둘레에 전기력이 어떻게 뻗어 있는지, 왜 가까울수록 세게 작용하는지 눈으로 볼 수 있어요.📌바깥 사이트라 화면 구성이 우리 실험실과 조금 다를 수 있어요. 움직이는 것은 전자뿐이라는 점만 잊지 말고 보세요.
전기를 띠지 않은 물체에 대전체를 가까이 하면 물체 안의 가 전기력을 받아 이동한다. 이때 은 움직이지 않는다.
(−)전하를 띤 빨대를 알루미늄 캔에 가까이 하면 전자는 빨대에서 쪽으로 밀려나므로, 빨대와 가까운 쪽은 를 띤다.
(+)전하를 띤 털가죽을 가까이 하면 전자가 털가죽과 쪽으로 끌려오므로, 가까운 쪽은 를 띤다.
이처럼 대전체와 가까운 쪽은 대전체와 종류의 전하를, 먼 쪽은 종류의 전하를 띤다.
이러한 현상을 라고 하며, 이때 대전체와 물체 사이에는 항상 이 작용한다.
빈칸을 그냥 눌러 답만 보면 남지 않아요. 소리 내어 답해 보고 누르세요.
✍️ 내 말로 정리
문지른 적 없는 것들이 자꾸 달라붙는 이유
종잇조각, 머리카락, 미세 먼지 — 전부 문지른 적이 없습니다. 그런데도 달라붙지요. 이제 그 까닭을 말할 수 있습니다.
📄 종잇조각은 금속도 아닌데
대전된 고무풍선을 잘게 자른 종잇조각에 가까이 하면 종잇조각들이 풍선에 달라붙습니다.
종이에는 금속처럼 가 없는데도 말이죠.
종이 같은 부도체에서는 전자가 물체 전체를 가로질러 이동하지 못합니다.
대신 대전체를 가까이 하면 각 (분자) 안에서 전하의 배치가 살짝 비틀려요 —
전자가 한쪽으로 치우치면서, 분자 하나하나가 한쪽은 (+)·반대쪽은 (−)를 띤 극성 알갱이처럼 되어 같은 방향으로 늘어섭니다.
물체 한가운데서는 이웃한 분자의 (+)와 (−)가 맞닿아 서로 상쇄되어 아무 효과가 없습니다.
하지만 양 끝은 상쇄해 줄 짝이 없어요. 그래서 대전체와 가까운 끝에는 전하가,
먼 끝에는 같은 전하가 남아 드러나고 — 결국 끌려와 달라붙습니다.
정전기 유도는 금속이 아닌 물체에서도 일어납니다.
📌이렇게 부도체 속 분자들이 극성을 띠고 정렬하는 현상을 유전 분극이라고 부릅니다 — 그래서 부도체를 유전체라고도 해요. 이름은 시험에 나오지 않습니다. "전자가 분자 밖으로는 못 나가고, 분자 안에서만 치우친다"만 챙기면 돼요. 대전된 빗이나 풍선에 종잇조각이 달라붙는 것이 바로 이 현상입니다.
3단계 실험실에서 재질을 '금속이 아닌 것'으로 바꿔 보면, 전자가 원자 안에서만 조금 치우치는 모습을 볼 수 있어요.
🤔 생각해 보기 사고력
플라스틱 빨대를 털가죽으로 여러 번 문지른 뒤, 이번에는 털가죽을 빈 알루미늄 캔에 가까이 하면 어떻게 될까요? 전자의 이동과 전기력을 써서 설명해 보세요.
🎲 한 문제 더 사고력
같은 개념, 다른 상황입니다. 먼저 자기 문장으로 말해 보거나 공책에 쓴 뒤, 모범 답안을 여세요.
Q1. 수도꼭지에서 가늘게 흐르는 물줄기에, 문지른 플라스틱 자를 가까이 하면 물줄기가 자 쪽으로 휘어집니다. 물은 문지른 적이 없는데 왜 끌려올까요?
✍️ 모범 답안 보기
Q2. 번개 구름(뇌운)의 아래쪽은 (−)전하를 띱니다. 이 구름이 높은 건물 위를 지나갈 때, 건물 꼭대기는 어떤 전하를 띠게 될지 정전기 유도로 설명해 보세요.
✍️ 모범 답안 보기
🌍 생활 속에서 찾아보기
화면을 마른 천으로 닦은 뒤 오히려 먼지가 더 붙는 경험, 해 본 적 있나요? 같은 까닭입니다.
🧱 첫 번째 블록 찾기
공기 청정기의 필터에 미세 먼지가 달라붙는 까닭은 무엇일까?
두 차시에 걸쳐 모은 단서가 이제 둘 다 모였습니다.
두 단서를 한 문장으로 이어 보세요.
✔ 저장됨배운 것을 확인해 봅시다
점수에 들어가지 않습니다. 어디가 헷갈리는지 찾는 게 목적이에요.
준비됐나요? 5문항입니다.
수업 시간에는 필수부터 — 필수·심화는 하트가 닳지 않아요. 도전 모드는 전체 문항을 하트 3개로 달립니다.
오늘 배운 개념, 빈칸으로 확인
학습지에 적은 순서 그대로입니다. 빈칸을 눌러서 답을 확인하거나, 🎤 음성으로 답하기를 켜고 소리 내어 말하면 저절로 채워집니다.
마이크는 크롬·엣지에서만 되고 인터넷이 필요합니다. 안 되는 환경이면 빈칸 클릭만으로도 수업이 굴러갑니다.
📌말하기가 어려운 학생에게 억지로 시키지 마세요. 입력칸과 클릭이 언제나 대안입니다.
검전기, 번개, 그리고 어려운 이름
여기서부터는 교과서 본문 밖 이야기입니다. 시험에 나오지 않아요. 외울 필요 없습니다.
🌊 금속 속을 들여다보면 — 자유 전자 바다
금속 안에는 자유 전자가 바다처럼 채워져 있습니다. 원자핵(양이온)은 격자 자리에 붙들려 제자리에서 조금 떨릴 뿐 자리를 바꾸지 않지만, 전자는 금속 전체를 돌아다닐 수 있어요. 그래서 대전체를 가까이 가져가면 전자만 우르르 움직입니다.
🧪 집에서 해 보기 — 정전기를 모아 두었다가
작은 번개를 직접 만들어 봅니다실험 이름을 누르면 준비물과 방법이 펼쳐집니다.
3컵으로 만드는 라이덴병
교실에서 직접
- 컵 바깥면과 안쪽면에 각각 호일을 붙입니다. 두 호일이 서로 닿으면 안 돼요.
- 못을 안쪽 호일에 닿게 세워 고정합니다.
- 문지른 풍선으로 못 머리를 수십 번 스치며 충전합니다.
- 바깥 호일을 잡은 채 못에 손가락(또는 열쇠)을 천천히 가까이 가져갑니다.
👀 여기를 보세요 — 딱! 소리와 함께 아주 작은 불꽃이 튑니다. 충전을 많이 할수록 소리가 커져요.
왜 그럴까?
모인 전하가 한꺼번에 공기를 뚫고 흐르는 것이 방전입니다. 여러분이 만든 건 아주 작은 번개인 셈이죠.
1745년 네덜란드 라이덴 대학에서 처음 만들어져 라이덴병이라는 이름이 붙었습니다.
💡손가락 대신 열쇠로 방전시키면 따끔함이 훨씬 덜합니다 — 지난 시간에 배운 그 이유 그대로예요.
⚠️정전기라 흐르는 전기의 양이 아주 적어 위험하지는 않지만, 심장 질환이 있거나 인공 심박기·의료기기를 쓰는 학생은 참여하지 않습니다. 충전을 지나치게 많이 하지 말고, 콘센트 전기로는 절대 대신하지 마세요.
4머리카락이 사방으로 — 반데그라프
영상으로
👀 여기를 보세요 — 공에 손을 올린 사람의 머리카락이 사방으로 뻗칩니다. 그런데 정작 그 사람은 멀쩡해요.
📺 유튜브에서 찾기 — «반데그라프 머리카락»왜 그럴까?
전압이 수십만 V나 되는데 왜 멀쩡할까요? 흘러 다니는 전하의 양이 아주 적기 때문입니다. "전압이 높다"와 "위험하다"가 같은 말이 아니라는 것 — 다음 시간의 주제로 이어집니다.
🔎 검전기 — 금속박이 벌어지는 장치
유리병 안에 얇은 금속박 두 장을 매달아 놓은 도구입니다.
위쪽 금속판에 대전체를 가까이 하면 금속박 두 장이 스르륵 벌어져요.
까닭은 오늘 배운 그대로입니다. 대전체가 가까워지면 전자가 이동해
아래쪽 금속박 두 장이 서로 같은 전하를 띠게 되거든요.
같은 전하끼리는 밀어내니까 벌어지는 겁니다.
벌어지는 정도로 대전 여부를 확인할 수 있어요. 정전기 유도를 눈에 보이게 만든 장치인 셈입니다.
⚡ 번개도 정전기다
먹구름 속에서는 물방울과 얼음 알갱이가 사납게 부딪히며 문질러집니다.
그 마찰로 구름의 아래쪽에는 전하가 잔뜩 모여요.
구름이 땅 위를 지나가면 땅에도 정전기 유도가 일어나
구름과 가까운 지표면이 반대 전하를 띱니다.
쌓이고 쌓이다 한계를 넘으면 — 번쩍.
여러분 손끝의 찌릿함과 원리가 같습니다. 규모만 다를 뿐이에요.
📚 '유전 분극'이라는 어려운 이름
오늘 종이에서 본 것 — 전자가 물체를 가로지르지는 못하고
원자 안에서만 살짝 치우치는 그 현상에는 따로 이름이 있습니다.
유전 분극이라고 해요.
고등학교에서 다시 만나게 될 이름입니다.
지금은 "종이도 끌려온다"는 사실과 그 까닭만 알면 충분해요.
이름은 몰라도 됩니다. 이름을 아는 것과 현상을 설명할 수 있는 것은 다른 일이니까요.
🏭 공장에서 쓰는 정전기
전기 집진기 — 공장 굴뚝 안에 대전된 판을 세워 두면
연기 속 재와 먼지가 정전기 유도로 끌려와 달라붙습니다. 공기 청정기의 큰 형님이죠.
정전기 도장 — 페인트 방울과 자동차 차체를 반대로 대전시켜 두면
페인트가 스스로 차체를 향해 날아가 달라붙습니다.
페인트를 훨씬 덜 흘리고 고르게 칠할 수 있어요.
복사기와 레이저 프린터의 토너 가루도 같은 원리로 종이 위 정해진 자리에만 달라붙습니다.
🔬 가상실험실에서 더 해 보기
여기 있는 것도 시험에 나오지 않습니다. 궁금한 사람만 눌러 보세요. 새 창에서 열려요.
🧪 마찰전기 (자바실험실) 두 물체를 문질러 전자가 옮겨 가는 장면을 봅니다. 1차시에서 배운 대전이 오늘 쓴 대전체가 어떻게 만들어지는지 보여 줘요.🎬 다시, 처음 그 문장
"문지르지 않은 캔은 왜 끌려올까?"
오늘 우리는 이 질문에 답하려고 설명(가설)을 세웠습니다.
가장 많이 나온 답은 "캔이 원래 (+)전하를 띠고 있었나 보다"였죠.
아주 합리적인 설명이었어요 — 규칙에도 딱 맞았고요.
그래서 우리는 그 설명을 시험했습니다.
그 말이 맞다면 (+)를 띤 털가죽에는 밀려나야 했으니까요.
그런데 캔은 또 끌려왔습니다. 가설은 그 자리에서 무너졌어요.
틀린 건 규칙이 아니었습니다. 같은 전하는 밀고 다른 전하는 당긴다는 규칙은 그대로였죠.
놓친 건 "캔은 아무것도 안 하고 가만히 있을 것"이라는 숨은 가정이었습니다.
캔은 가만히 있지 않았어요. 대전체가 다가오는 순간, 안에서 전자를 옮겨
스스로 끌릴 수밖에 없는 모양이 되어 버렸습니다.
설명이 빗나갔을 때 규칙부터 의심하기 쉽지만, 대개 문제는 내가 눈치채지 못한 가정에 있습니다.
오늘 무너진 가설이 그걸 알려 준 셈이에요 —
가설이 틀리는 건 실패가 아니라, 과학이 앞으로 나아가는 방식입니다.