위 그림은 두산에서 출판한 중학교 3학년 기술•가정 교과서에 실린 만화다.
1. 개요
靜電氣 / Static electricity정전기는 물체 위에 정지하고 있는 전기를 말한다. 물체끼리의 마찰에 의하여 생긴 마찰 전기도 여기에 속한다.
무언가를 대전 현상을 마찰시킬 경우 자연적으로 발생하고, 가장 쉽게 만드는 방법은 거울 앞에 가서 불을 끄고 자신의 머리를 빗으로 빗어 보는 것이다. 머리카락이 적절하게 건조할 경우 따닥따닥 하며 머리에서 불꽃이 튀기는 걸 볼 수 있다.
이때 발생하는 전압은 1만 볼트를 넘고, 순간 전류는 수 A[1]에 달하지만, 실제로 전기가 흐르는 건 매우 짧은 시간(약 0.000002초)[2]이므로 인체에 흐르는 전류에 대한 반응으로 1mA 이하 정도로 약하게 느껴져[3] 정전기로 부상을 입는 경우는 거의 없다. 하지만 어쨌든 순간적인 점화 효과가 있어 상성상 위험한 유류나 인화성 물질에 정전기가 발생할 경우 정전기는 금방 사라지더라도 붙은 불은 계속해서 남기 때문에 정전기로 인한 유류, 가스 폭발 / 화재 사고 사례는 매우 많고, 굉장히 위험하다.
2. 역사
인류의 체계적인 학문이 성립되던 고대 그리스 시절, 보석 호박을 문지르면 정전기가 발생하는 것을 탈레스가 기록 및 연구했었고, 정전기에 호박을 뜻하는 그리스어 ἤλεκτρον이라는 명칭이 붙여지게 되었다.[4] 정전기에 대한 연구는 정전기를 라이덴 병이라는 원시적인 충전지에 축적하거나 정전기 발생 원리를 응용한 전 시대적인 기술의 발전기를 개발하면서 상대적으로 고압 전류를 다룰 수 있는 기술로 발전하였고, 뒤이어 근현대의 전기 공학으로 발전하게 되어 전기 관련 기술, 학문 등에는 이러한 기술 발전에 근거하여 일렉트로닉이라는 명칭이 붙게 되었다.정전기의 발생 원리에 대한 이론은 2022년에 나왔는데 연구진에 따르면 "미시 세계에서의 열전 현상을 양자 역학적으로 연구"하여 발견할 수 있었다고 한다.
3. 사람에게
정전기는 특히 겨울철에 잘 생기는데, 여름철에는 정전기가 유도된다 하더라도 습도가 높아서 주위의 물 분자로 쉽게 방전[5]되지만 겨울철은 습도가 낮다 보니 매우 건조한 상태이기 때문이다. 게다가 사람이 입고 있는 두꺼운 털 소재가 많이 사용되는 겨울옷의 특성상, 여름의 얇은 옷보다 정전기가 더 생길 수밖에 없다. 즉 상대적으로 대전열이 높아져서 일어나는 것. 이것 때문에 겨울에는 금속으로 된 난간이나 문고리를 잡다가 종종 따끔한 맛을 보고 깜짝 놀라게 된다. 심할 경우 스파크가 눈에 보일 정도로 튀기도 한다. 가끔씩은 이어폰을 통해서도 정전기가 통하는데, 이때는 귓속까지 정전기의 맛이 느껴질 수 있다. 따라서 건조한 겨울철일 때, 그리고 털이 많은 옷일수록 정전기가 더 잘 생긴다.반면 지중해성 기후나 서안 해양성 기후에 속하는 나라로 가면 오히려 한여름이 건조하다 보니 정전기가 잘 생긴다.
유별나게 정전기가 잘 발생하는 사람들이 있는데[6], 이 사람들에게는 겨울은 그야말로 정전기 공포 그 자체. 잊을 만하면 계속 따끔거려서 뒷목을 잡게 만드는데, 금속 난간, 문고리는 통하는 것이고 정수기, 자판기, 휴대폰[7] 등 금속이 조금이라도 섞인 것 근처에 손을 가까이하면 정전기가 발생한다. 저런 경우 그냥 짜증 나고 지나칠 정도가 되겠지만, 지하철이나 KTX 기차처럼 크고 아름다운 금속 물체에 탑승하다가 표면에 손이 닿아서 정전기가 발생하기도 하는데, 이 경우 기차 한 차량 전체에 모여있던 정전기가 방출되면서 나오는 파워는 장난이 아니다. 그리고 이런 사람들이 털이 많은 재질의 옷을 입고 건조한 실내[8]에 들어가면 그 사람에게는 그야말로 생지옥이 펼쳐진다. 온몸이 바늘로 찌르는 듯 따가워서 잠시도 가만있지를 못하게 된다.
심지어는 물에 손을 씻으려 할 때도 정전기가 발생하기도 한다. 이런 사람들은 겨울뿐만 아니라 봄, 여름, 가을에도 툭하면 정전기가 발생하기 일쑤이며 일상생활에 상당한 지장을 받기 때문에 굉장한 스트레스를 받는다. 심지어 냉온수기 물줄기와 종이컵을 통과하기도 한다. 커피를 마시기 위해 종이컵에 뜨거운 물을 받고 있는데 종이컵을 뚫고 발생해 잡고 있는 손이 따끔해서 깜짝 놀라 움찔하다 뜨거운 물을 흘려 화상을 입기도 한다. 본인만 고통스러운 수준이 아니라, 무심하게 손을 댔던 가전제품이 정전기로 인해 고장 나는 경우도 생긴다. 여담으로, 재수 없으면 유조차에 화재도 나고, 반도체도 부서져 파손될 수 있다(...).
4. 활용
이렇게 별 쓸모도 없이 사람 괴롭게 만드는 현상처럼 보이지만 사실 실생활에서 유용하게 사용되고 있는데, 바로 복사기에 정전기가 응용된다. 광전도성 물질로 코팅된 드럼은 전류에 의해 (-)로 대전된다. 그리고 종이에 빛을 비추면 종이의 흰 부분은 드럼의 표면으로 빛을 반사하여, 빛에 노출된 부분은 중성이 되고 글자 부분만 (-) 전하를 띤다. (+)로 대전된 토너가 드럼의 글자 부분에만 묻게 되고 이것을 다시 종이에 인쇄하여 복사하는 원리이다. 이 때문에 복사기로 갓 인쇄한 종이를 만져보면 뜨뜻하고 간지러운 촉감이 느껴진다.이것 외에도 마찰 전기로 발생하는 가벼운 정전기(따갑지 않고 뭐가 달라붙는 정도)를 이용해 청소용 부직포 같은 것을 만들어 쓰기도 한다. 들러붙으려는 성질을 이용해 부직포에 먼지나 머리카락 따위를 잘 달라붙게 해 청소를 수월하게 만드는 것이다. 산업용 및 보건용의 방진 마스크 역시 이와 동일한 원리로 만들어진다. 고압 전류로 처리한 정전기 필터를 이용해서 미세한 먼지 입자들을 흡착해서 여과하는 방식.[9]
일부 기능성 소재를 사용한 옷은 정전기를 자연스럽게 일으켜 보온 효과를 형성하기도 한다. 대표적으로 군대 방한복을 보면 옷감 안쪽에 반짝이는 줄무늬가 있는데 이를 위한 것이다.
정전기를 일부러 만드는 발전기도 있다. Van de Graaff[10] 정전 발전기라고 하며, 전기를 꽂으면 정전기를 생성한다. 잉여 같지만, 개발 당시 사이클로트론이 없던 터라 당시 최강 입자 가속기였다. 그리고 현재도 입자 가속기[11]로 잘 쓰이고 있다. 물론, 학교에선 이 입자 가속기를 갖다 놓고 정전기를 부각하고, 과학관에선 여기에서 발생하는 엄청난 정전기로 머리를 솟게 하기 때문에 전시용으로 갖다 놓기도 한다. 물론 장난감 용도로 쓰기도 한다.
5. 예방법
정전기가 무서워서 문손잡이 등을 잡기 망설이면서 슬쩍슬쩍 손을 대는 건 오히려 정전기의 대미지를 증폭시킨다. 손가락 끝의 작은 표면적에 정전기가 전부 대전되어 한 점에 고통이 집중되기 때문이다. 이는 마치 사람의 몸으로 자체 피뢰침을 만든 것과 다름없다. 따라서 한 번에 과감히 꽉 잡아버려서 접촉하는 표면적을 넓혀서 정전기를 분산시키는 것이 대미지가 덜하다. 무릎이나 팔꿈치 등을 이용해 먼저 접촉시키면 같은 전류가 흘러도 고통이 훨씬 줄어들거나 없는 수준이다.손이나 다른 부위를 빠르게 부딪치는 방법도 있는데 이때 정전기가 통해도 부딪치는 순간의 작은 충격으로 정전기를 못 느끼는 경우가 있다. 즉 부딪히는 아픔으로 정전기의 아픔을 잊는 것이다.
가장 쉬운 정전기 예방법은 휴대 가능한 전도체를 가지고 다니다가, 금속 문고리나 난간에 그 전도체를 먼저 톡톡 접촉시켜 주면 응축되어 있던 정전기가 그 전도체를 통해서 빠져나가기 때문에, 이후에 손으로 금속 문고리나 난간을 만질 때 충격이 줄어들게 된다. 주로 옷깃에 끼워둘 수 있는 클립이나 일상생활에서 휴대하는 경우가 많은 동전, 열쇠 등이 추천된다. 다만, 정전기가 강할 경우에 효과는 미미하다.[12] 이 원리를 이용한 정전기 예방용 액세서리도 시중에 판매되고 있는데, 동전 같은 전도체보다 딱히 나을 게 없는 제품도 흔하다.
만약 사용 가능한 전도체가 없다면, 문고리를 잡기 전 손에 입김을 불어 습기를 만들어주거나, 손톱을 세워 문고리에 1~3초 정도 댄 후에 잡으면 충격이 조금이나마 줄어들 수도 있다. 손바닥을 펴서 벽이나 바닥, 문 등에 먼저 접촉만 시켜도 어느 정도는 효과가 있긴 하다. 정전기가 잘 통하는 사람은 이 정도로는 별 도움이 되지 않을 테니[13] 가급적이면 전도체를 문고리에 먼저 접촉시키는 방법을 추천한다.
셀프 주유소에 가 보면 주유기에 정전기 방지 패드가 달려있는 것을 볼 수 있는데, 이것도 위와 같은 원리다. 평상시에야 그냥 따끔하고 말 정전기지만 주유소 같은 곳은 정전기의 스파크가 유증기에 옮겨붙어 초대형 폭발 사고가 날 수 있기 때문이다.
접지를 하는 것도 아주 효과적이다. 전자 제품의 경우 콘센트에 접지 단자가 있어 따로 접지를 하지 않아도 되지만 간혹 오래된 건물이라 접지가 안 되거나, 전자 제품이 아닌 쇠붙이가 드러난 가구처럼 접지가 애초에 불가능한 물건들은 콘크리트 벽에 박힌 못과 전선으로 연결해 주는 것만으로도 정전기는 충분히 흘려보낼 수 있다.
정전기가 발생하기 쉬운 의류, 특히 화학 섬유 옷을 피하고, 가급적 면 등 천연 섬유로 된 옷을 입는 게 좋다. 옷을 입기 전에 잠시 화장실에 걸어두었다가 입거나, 분무기로 물을 분사하는 것도 도움이 된다. 시중에 판매 중인 정전기 방지 스프레이를 뿌리는 것도 물론 도움이 된다. 옷소매 끝이나 하단 안쪽에 금속 클립이나 옷핀을 꽂아두면 금속 부분을 통해서 전자가 미리 빠져나가기 때문에 정전기가 줄어든다. 같은 원리로, 이불의 네 귀퉁이에 사무용 금속 클립을 꽂아두는 것도 도움이 된다. 옷을 벗을 때는 양말 먼저 벗고 맨발로 다니면 정전기가 생기더라도 땅으로 흘러가기 때문에 도움이 될 수 있다고 한다.
정전기 방지가 되는 섬유 유연제를 넣고 옷을 세탁하는 것도 도움이 된다. 옷에 정전기가 잘 모이지 않도록 코팅을 해 주기 때문이다. 돈은 약간 들지만, 금방 세탁한 옷일수록 방지 효과는 좋은 편이다. 그러나, 한국소비자원이 섬유 유연제 11종을 실험해 본 결과를 보면, 옷감별로 방지 효과가 다르다고 한다. 옷을 입고 벗을 때 주로 발생하는 정전기를 감소시켜 주는 정도를 평가한 결과, 면(100%)과 모(100%) 소재에 대해서는 전 제품이 양호했으나, 안타깝게도 폴리에스터(100%) 소재에 대해서는 정전기 방지 성능이 모두 미흡했다고. 출처
몸과 피부에 수분이 적어 건조한 사람일수록 정전기가 자주 생기는데, 특히 노인, 피부 질환, 당뇨병 환자 등은 건조한 경우가 흔하다고 한다. 가급적 손을 자주 씻고, 로션이나 핸드크림을 자주 발라서 피부를 습하게 유지하길 권장한다.
머리 감을 때는 가급적 찬물로 감고, 린스(트리트먼트)를 사용하면 보호막 효과를 얻을 수 있다고 한다. 플라스틱 빗으로 건조한 머리를 빗으면 정전기 폭탄을 자초하는 것이니, 나무 빗을 쓰면 된다. 플라스틱 빗을 써야 할 경우에는 일단 물에 살짝 담그거나 물을 묻힌 후 머리에 사용하면 정전기가 덜 생긴다.
적정 습도(50~60%)를 유지하는 것도 중요하다. 습도가 낮아 건조한 환경에서는 전하가 공기 중에 흡수되지 못하고 그대로 있기 때문에 정전기가 쉽게 발생한다. 겨울에 실내 습도가 낮아져 정전기가 심해지면, 가습기를 틀어놓거나 젖은 빨래를 널어놓아 습도를 높이는 것도 좋은 방법이다. 습도를 조절해 주는 식물을 배치하거나, 숯에 분무기로 물을 묻혀서 두는 것도 좋다.
시중에는 정전기 방지 제품이라면서 팔찌, 열쇠고리 등 온갖 형태의 제품이 판매되고 있으나, 실제로는 별 효과가 없는 걸 팔아먹는 사례가 흔하다.
6. 기타
위기탈출 넘버원 25회(2006년 1월 14일 방송분)에서는 정전기로 인한 주유소 화재, 26회(2006년 1월 21일 방송분)에서는 정전기로 인한 화재를 방영했다. 정전기 화재는 어디든 위험하지만 특히 주유소는 유증기가 가득 차있어 정전기가 발생하는 순간 대형 화재로 이어진다. 지금이야 대부분 주유소에는 정전기 방지 패드가 달려있어 정전기 방지 패드를 만지면 별문제는 없겠지만 위기탈출 넘버원 25회, 26회가 방영된 시기는 2006년 1월이며 이때는 정전기 방지 패드조차 없어서 주유소 정전기 화재 사고가 많았다.다양한 산업 분야 중 다른 예시를 들어, 전자 기기를 제조하는 분야에서는 정전기 발생에 대해서 매우 민감하게 다룬다. 기기를 제조하는 과정에서 조금이나마 정전기가 발생한다면 불량이 발생하기 때문에, 산업 현장에서는 정전기 발생을 최소화하고 있다.
[1] 전기설비기술기준 및 판단기준에서 정하는 감전 전류 중 심실세동전류(심장에 직접적으로 영향을 가하는 전류)가 두 가지 존재하는데 평균적으로 0.05A 감전 시 수 초 후 사망, 0.1A 감전 시 즉시 사망이다. 즉 0.1A만 되어도 죽는다.[2] 대전된 전하(전자)가 빛의 속도에 가깝게 다른 금속이나 도체로 이동하여 전류가 흐르는 시간이 엄청나게 짧다. 따라서 전하량 자체는 엄청나게 작다. 에너지 수렴 시간은 주로 주변 ground 조건에 의해 좌우되며 IEC 국제 규격에 파형에 관한 기술이 자세히 되어있다.[3] 조금 따갑다는 느낌을 받는다.[4] 조금 더 자세히 설명을 덧붙이자면 탈레스가 이런 현상을 발견한 후, 16세기의 자기와 전기에 관해 체계적인 연구를 하였던 영국의 William Gilbert가 처음으로 electricity라는 단어를 사용했다. 보석 호박은 고전 그리스어로 '엘렉트론(ἤλεκτρον)'이라고 하는데, 털에 문지른 호박이 가벼운 종이나 털 등을 끌어당기는 힘을 호박력(琥珀力)이라는 의미에서 electricity라고 불렀다. 정작 현대 그리스어로 호박은 '케흐리바리(Κεχριμπάρι)'라고 하는데, 호박의 튀크키예어 단어인 케흐리바르(Kehribar)에서 유래한 단어로 수백 년간 오스만 제국의 지배를 받는 바람에 튀크키예어 단어가 그리스어 단어를 대체하였다.[5] 그렇다고 여름에 정전기가 아예 안 일어나는 것은 아니다.[6] 특히 피부가 건조한 아토피 환자들이 대표적이다.[7] 본체가 스틸로 되어있는 iPhone 등이 있다.[8] 특히 겨울철에 난방 중인 실내.[9] 그래서 방진 마스크는 세탁을 해서 사용하면 안 된다. 필터가 물에 젖게 되면 대전되어 있던 정전기가 다 사라져 버려서 방진 기능이 없는 그냥 보통 마스크가 되어버린다.[10] 철자를 볼 때 네덜란드어임이 명백하지만 이것을 만든 로버트 J. 밴더그래프(Robert J. Van de Graaff)가 네덜란드인이 아니라 네덜란드계 미국인이기 때문에 그냥 영어식으로 '밴더그래프'라고 읽는다.[11] 현재는 개량을 거쳐서 중입자 가속기로 사용하고 있다.[12] 정전기가 강력한 경우에는 동전을 잡고 있는 손에 전하가 빠져나가며 따끔하는 느낌이 난다. 물론 안 하는 것보다는 훨씬 낫긴 한데, 아무튼 위의 이유로 유튜브 등지에서 정전기 제거기라면서 동전에 1~10MΩ(메가옴) 수준의 저항기를 달아 전류를 제한한다. 이 경우에는 전하가 서서히 방전되기 때문에 아프지 않다. 저항이 없으면 빠르게 전하가 방전되면서 고통을 주지만 저항기가 있으면 전하가 흐르는 양이 제한되면서 천천히 방전되는 것이다. 저항기를 강에 설치한 보에 비유할 수 있다. 보가 없으면 폭우가 쏟아질 때 강물이 순간적으로 빠져나가며 홍수가 나지만, 보가 있을 때는 흐르는 강물의 양을 제한하면서 홍수를 방지하는 것이다.[13] 벽이나 바닥은 보통 콘크리트로 이루어져 있고, 문은 페인트칠이 되어있어 신체를 접촉해도 체내의 정전기가 잘 방출되지는 않는다. 그렇다고 문고리나 금속 구조물 같은 외부 전도체를 만지자니 정전기를 당한다.