전하 물질
주변의 물체 하나를 관찰해 보세요. 예를 들어 돌멩이를 부수면 여러 개의 작은 조각으로 쪼개집니다. 돌멩이를 다시 부수면 더 작은 조각으로 나뉘겠죠. 그 작은 조각들을 다시 부수면 어떻게 될까요? 당연히 더 작은 조각으로 나뉘게 됩니다. 돌멩이를 무한히 작은 조각으로 나눌 수 있을까요? 사실 어떤 물체든 더 작은 조각으로 나누다 보면 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 부분에 도달하게 됩니다. 더 이상 나눌 수 없는 가장 작은 부분을 원자라고 합니다. 따라서 원자는 우주에 있는 모든 물질의 가장 작은 단위입니다.
원자 내 전기 전하
원자는 전자, 양성자, 중성자로 구성됩니다. 양성자와 중성자는 원자핵을 이루며, 그 크기는 약 10⁻¹⁵ 미터 입니다. 전자는 원자핵 바깥쪽에 위치하며, 마치 행성이 태양 주위를 공전하듯이 원자핵 주위를 공전합니다. 원자의 지름을 수 킬로미터라고 가정하면, 원자핵은 당구공 크기 정도이며, 전자는 원자핵 내부에 위치하여 약 10⁻¹⁰ 미터 거리까지 뻗어 있습니다 . 원자핵과 전자 사이는 빈 공간입니다.
음전하를 띤 전자는 원자의 가장자리에 위치하고, 양전하를 띤 양성자는 원자핵에 위치합니다. 전자가 원자핵 주위를 공전하고 원자 밖으로 탈출하지 않도록 하려면, 양전하를 띤 원자핵이 전자를 끌어당기는 힘을 가해야 합니다. 전자가 원자핵 주위를 공전하고 탈출하지 못하게 하는 이 힘을 전기력이라고 합니다.
반대로 원자핵 내부에는 양전하를 띤 양성자가 존재하므로, 이들은 같은 전하를 가지고 있기 때문에 자연스럽게 서로 반발합니다. 양성자들이 원자핵 안에서 서로 뭉쳐 있고 원자 밖으로 분리되지 않도록 하려면, 양성자들을 결합시키는 힘이 필요합니다. 원자핵 안에서 양성자들을 결합시키는 힘을 핵력이라고 합니다.
양성자의 질량은 중성자의 질량과 거의 같습니다. 원자 질량의 약 99,9%는 원자핵에 집중되어 있으며, 전자는 매우 작은 질량을 가지고 있습니다. 전자의 질량(m e ) = 9,1093897 x 10⁻³¹ kg , 중성자의 질량(m n ) = 1,6749286 x 10⁻²⁷ kg , 양성자의 질량(mp ) = 1,6726231 x 10⁻²⁷ kg 입니다.
전하량
전자는 음전하를 띠고, 양성자는 양전하를 띠며, 중성자는 전기적으로 중성입니다. 원자핵을 구성하는 양성자와 중성자는 쿼크로 이루어져 있는데, 쿼크는 전자의 전하량의 약 1/3과 2/3 정도의 전하량을 가지고 있습니다. 쿼크는 원자를 구성하는 가장 작은 입자이지만, 아직까지 쿼크가 단독으로 존재하는 것은 발견되지 않았습니다.
전자 전하량 또는 양성자 전하량은 전하의 기본 단위입니다. 물체의 전기 전하량은 전자 전하량 또는 양성자 전하량의 배수입니다. 이를 양자화된 전하라고 합니다 . 예를 들어, 우리가 사용하는 가장 작은 화폐 단위가 100루피아라면, 개인이 가진 돈의 액수는 가장 작은 화폐 단위인 100루피아의 배수로 표현됩니다. 예를 들어, 제 돈이 100.000루피아라면, 이 100.000루피아는 100으로 나누어 떨어집니다. 만약 제 돈이 100.002루피아라면 이상하겠죠. 왜냐하면 2루피아라는 화폐 단위는 없기 때문입니다. 마찬가지로, 물체의 전하량도 그렇습니다. 전자의 전하량은 -e이고 양성자의 전하량은 +e입니다. 물체의 전하량은 e 또는 1,60 x 10⁻¹⁹쿨롬의 배수 이며 , Q = ±Ne로 표현할 수 있습니다. Q는 전하량, ±는 전하의 종류, N은 정수, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ 쿨롬 입니다.
물체의 전기 전하
원자에 양성자와 전자의 수가 같으면 원자의 총 전하는 0이 되어 중성 원자가 됩니다. 즉, 전기적으로 아무런 전하를 띠지 않습니다. 중성 원자에 있는 양성자 또는 전자의 수를 원자 번호(Z) 라고 합니다 . 전자의 수가 양성자보다 많으면 원자는 음전하를 띠고, 반대로 전자의 수가 양성자보다 적으면 양전하를 띕니다. 음전하를 띤 원자를 음이온이라고 하고 , 양전하 를 띤 원자를 양이온 이라고 합니다. 원자에서 전자를 흡수하거나 방출하는 과정을 이온화 라고 합니다 . 원자가 전하를 띤다고 할 때는 총 전하량, 즉 순전하량을 의미합니다. 예를 들어, 어떤 원자가 전자 10개와 양성자 7개를 가지고 있다고 가정해 봅시다. 이 원자는 음전하를 띤 전자가 3개 더 많기 때문에 음전하를 띕니다. 따라서 이 원자의 순전하량은 3이고, 전하의 종류는 음전하입니다. 3, 7, 10이라는 숫자는 이해를 돕기 위한 예시일 뿐입니다. 실제로는 물체의 전하량은 전자 전하량 또는 양성자 전하량의 배수입니다.
어떤 물체의 전자 수가 양성자 수와 같으면 그 물체는 중성이거나 전기적으로 무전해합니다. 전자 수가 양성자 수보다 많으면 그 물체는 음전하를 띠고, 반대로 전자 수가 양성자 수보다 적으면 양전하를 띕니다. 처음에는 중성이었던 물체에 전자를 추가하면 음전하를 띠게 되고, 반대로 전자 수를 줄이면 양전하를 띠게 됩니다.
