정전기발생기

요약 정전기나 저전류 고전압의 전기상태를 만들 수 있는 장치이다. 17세기 중반부터 정전기발생기에 대한 연구가 시작되었으며, 현재에 이르기까지 수십 가지 정전기 발생기가 개발되었다. 밴 더 그래프(Van de Graaff electrostatic generator), 라이덴병(Leyden jar), 웜스허스트 감응기전기, 펠레트론(Pelletron) 등이 대표적이다.

이 장치는 역학적 일을 전기 에너지로 바꾸어 정전기나 저전류이면서 고전압 상태를 만드는 기구이다. 최대 수백만 볼트의 전압차를 만들 수 있다. 1663년 오토 본 게릭(Otto von Guericke)이 마찰기전기(friction machines)를 처음 개발하였다. 두 개의 물체를 마찰시키면 물체 표면에 있는 전하의 불균형에 의해 정전기가 발생한다. 그 다음 두 물체를 서로 분리시켜 놓으면 두 물체는 대전열에 따라 각각 음전하와 양전하를 띤 채 전위차를 유지하게 되는 것이다. 이것이 원시적인 정전기 발생기의 원리로써 주로 19세기 초까지 사용되었던 방법이다.

전기쟁반

1775년 볼타(A.Volta)가 전기쟁반(electrophorus)을 개발하면서 유도전하를 이용한 유도기전기(influence machines)가 등장하였다. 이 장치는 정전기유도에 의해 작동하며 소량의 초기전하(initial charge)로 다량의 전하를 발생시켜 큰 정전기 에너지를 만든다. 이 장치는 절연체의 자루(절연봉)가 있는 금속원판 A와 절연체(보통 에보나이트)로 이루어진 원판 B로 되어 있으며 원판 B의 지름은 원판 A의 지름보다 크다. 원판 B를 플란넬 또는 부드러운 털로 문질러서 음으로 대전시킨 후 원판 A를 원판 B에 접근시키면 금속판 A의 B쪽에는 양전하가, 반대쪽에는 음전하가 나타난다. 원판 A의 위쪽의 음전하를  접지와 같은 방법으로 방출시킨 후 원판 A를 B로부터 멀리하면 원판 A는 양으로 대전된다. 초기전하의 양을 계속 증가시켜가며 이상의 조작을 되풀이하면 대전되는 전하량이 증가한다. 물체가 대전된 상태에서는 정전기에너지를 저장하고 있는데, 이 에너지는 원판 A를 원판 B로부터 멀리할 때 손이 원판에 대해 하는 일로부터 공급된다. 최초의 유도기전기(influence machines)는 1788년 윌리엄 닐슨(William Nicholson)에 의해 개발되었다.

밴 더 그래프의 발생기

1931년  밴 더 그래프(Van de Graaff )가  모터를 사용하여 절연벨트를 돌림으로써 큰 전압차를 만들 수 있었다. 지름이 더 크고 전기적으로 중성인 도체구가 +q로 대전된 도체구를  감싸고 있을 때, 이 둘을 도선으로 연결하면 작은 구에서 바깥의 구로 전하가 모두 옮겨간다. 이제 연결을 끊고 작은 구를 +2q로 대전한 후 다시 도선으로 두 구를 연결하면, 또 전하가 모두 큰 구로 옮겨간다. 이런 일을 계속한다면 큰 구에는 더 많은 양전하가 모이게 되고 두 구의 전압차는 점점 커지게 된다. 이렇게 전하를 저장하여 1V~1MV의 전위차에 이르게 할 수 있었다. 이것이 밴 더 그래프(Van de Graaff electrostatic generator)의 원리이다.

펠레트론(Pelletron)은 밴더그래프의 절연벨트 대신 절연물질로 분리된 체인을 사용하여 25MV의 전위차를 발생시킬 수 있으며 900MeV 이상의 에너지를 가진 이온빔(ion beam)을 발생시켰다.

로렌츠 발생기

1991년에는 파라모(G.L. Paramo)가 로렌츠 발생기(Lorente generator)를 개발하였다. 마찰을 이용한 장치로서 서로 다른 절연 물질로 된 네 개의 동축 원통으로 구성되어 있으며, 바깥의 두 원통은 금속으로 되어 있다. 특정 압력 하에서 원통들이 돌게 되며, 안 쪽에 있는 두 개의 원통 사이에 전하가 분리되고 바깥의 원통에 전하가 축척되는 원리이다.

오늘날의 정전기발생기

오늘날 광범위하게 쓰이는 정전기발생기는 윔스허스트의 감응기전기이며, 다량의 정전기를 얻는 데 편리하다. 이 장치는 유리 원판을 대립시켜 그 표면에 석박을 바르고 금속 브러시로 이를 마찰시켜서 정전기를 일으키도록 고안되었다. 정전기발생기는 전기력과 고전압 현상을 설명하기 위해 과학 수업에서 흔이 사용하고 있으며, 만질 때에는 전기충격을 줄이기 위해 전압을 서서히 올리는 과정에 주의해야 한다.

X선관 내부에서 X선을 발생시키기 위해 열전자를 가속시킬 때도 사용할 고전압을 만들기 위해 정전기발생기의 원리를 사용한다. 또한 정전기에 의한 전위차로 먼지가 달라 붙으므로 반도체 공정시 먼지의 제거나 청정도를 측정하기 위해 정전기발생기를 사용하기도 한다. 밴 더 그래프는 전압의 미세한 조정이 쉬워 원자핵 정밀 실험용 가속기의 고압전원으로 쓰인다. 펠레트론 가속기는 극도로 작은 질량차에도 민감히 반응하여 질량분광학, 재료분석, 핵물리, 동위원소 분석,반도체 개발 및 생산 등 여러 분야에서 쓰인다.