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정전기와 맨발걷기

맨발걷기를 하시는 분들 중 많은 분들이 정전기에 대해 언급하곤 합니다. 어싱을 통해 정전기가 제거되면 건강해진다는 이야기인데요, 여기서는 어싱이 정전기 제거 효과가 있는지를 따지기보다는 정전기가 무엇인지에 대해 알아보고자 합니다.

나 역시 이러한 유형의 책을 선호하지 않습니다. 모든 질병을 하나의 원인으로 단순화시키는 것은 바람직하지 않다고 생각합니다. 맨발걷기를 하시는 분들 대부분이 '활성산소'와 '정전기'만 제거하면 건강해진다고 생각하고 계십니다.

출처: https://youtu.be/3Wi7ZfeYYmk?si=aXayPwFrAMvt7ne_

위 책에서 적혈구의 빠른 이동으로 인해 체내에서 마찰이 생기고, 여기서 정전기가 쌓인다고 설명합니다. 따라서 맨발로 어싱을 하면 정전기가 빠져나가 과학적으로 건강해진다고 주장합니다. 이것에 대해서는 이후에 과학적 근거와 함께 설명할 예정입니다.

무엇보다 중요한 것은 정전기가 무엇인지, 과학적인 사실들을 알아보는 것입니다.

정전기관련해서 다음 자료를 참고하였습니다.

https://www.keyence.co.kr/ss/products/static/static-electricity/basic/about.jsp

정전기

물질은 전기적 안정 상태로 존재합니다. 전기적 안정 상태라는 것은 물질을 구성하는 음전하와 양전하의 전기가 같은 수만큼 있다는 것을 의미합니다. 정전기라고 하면 정지한 전기를 의미한다고 생각할 수 있지만, 엄밀히 말하자면 이 안정 상태, 균형 상태가 깨진 상태를 의미합니다. 전기적 균형이 깨져 전하를 띄게 되면 '대전'되었다고 합니다.

우리가 흔히 경험하는 정전기는 마찰 전기입니다. 머리카락을 플라스틱으로 비비면 머리카락이 플라스틱 쪽으로 이동하는 현상이 벌어집니다. 이것은 두 물체 간의 대전 서열에 따라 한 물체에서 다른 물체로 전자가 이동하기 때문에 발생하는 것입니다. 이것은 상대적인 것으로, 두 물체 중에 전자의 구속력이 낮은 물체에서 전자가 빠져나갑니다.

물체 간의 대전 서열은 다음과 같습니다.

이 표는 물체를 접촉하거나 마찰했을 때, 어떤 극성으로 대전되는지 나타내는 것입니다. 왼쪽으로 갈수록 +극성으로 대전되기 쉽고, 오른쪽으로 갈수록 -극성으로 대전되기 쉽습니다.

이 표에 의하면 머리카락과 플라스틱을 비비면, 머리카락에 있는 전자들이 플라스틱으로 이동하여 +극으로 대전되고, 플라스틱은 전자를 받아서 -극으로 대전됩니다. 극성이 다른 두 개의 물질은 서로 당기는 힘이 발생하여 머리카락이 플라스틱에 달라붙게 됩니다.

여기서 중요한 것은 이동하는 것은 '전자'뿐이라는 것입니다. 왜냐하면 양성자는 전자에 비해 매우 매우 무겁기 때문입니다. (약 1836배 무겁습니다).

따라서 +극으로 대전된다는 것은 양성자가 더해져서 +극성이 되는 것이 아니라 물체에서 전자가 빠져나가서 전자가 부족해서 +극이 되는 것입니다.

위 예에서는 마찰로 인한 대전 현상을 살펴보았는데, 두 물체가 접촉만 해도 대전 현상이 일어납니다. 다만, 마찰 전기에 비해 전하량은 적습니다.

정전기 방출

겨울철 우리가 흔히 경험하는 것이 있습니다. 바로 정전기 방출로 인한 따끔함입니다.

겨울철에는 습도가 낮아 정전기가 쉽게 발생합니다. (공기 중에 습도가 높으면, 대전된 물체에 전자를 공급하여 대전 상태가 쉽게 해소됩니다.)

위 그림처럼 손이 +극으로 대전되어 있고, 엘리베이터 버튼은 -극으로 대전되어 있을 때, 손으로 버튼을 누르게 되면 버튼에 있는 전자가 손으로 이동하여 전기가 통합니다! 이때 우리는 따끔함을 느끼게 됩니다. 이 현상이 정전기의 방전이며, 사람의 입장에서는 감전을 당한 것입니다. 감전이라고 하면 매우 위험할 수 있으나 정전기의 경우는 전압 차이는 수천에서 수만V로 매우 크지만 작용하는 시간이 매우 짧으므로 인체에 큰 해를 끼치지 않습니다. 그렇지만 짧은 순간 우리는 통증을 느끼게 됩니다.

전자의 이동

전자는 모든 물체에서 이동하는 것이 아닙니다! 전자가 이동하기 쉬운 물체를 도체라고 하고, 반대로 이동하기 어려운 물체를 부도체 또는 절연체라고 합니다. 부도체에서는 자유 전자가 도체에 비해 매우 적기 때문에 전기가 통하지 않습니다. 따라서 절연체에 대전된 물체를 가져다 대면, 전자가 이동하지는 못하지만 대전 물체의 극성에 따라 멀어지거나 가까워질 수는 있습니다. 이를 분극 현상이라고 합니다.

출처: https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=toshizo&logNo=220346960234

아래와 같이 도체를 접지하면 어떻게 될까요? 대전 물질의 극성에 따라 땅으로부터 전자가 도체로 이동하거나 빠져나가게 됩니다.

위 그림과 같이 접지를 하게 되면 물체 표면에 대전 물질의 극성과 반대되는 극성을 띠게 되는데, 이때 접지를 끊으면 도체에는 대전 물질의 극성과 반대되는 극성을 갖게 됩니다. 이로 도체는 대전되는데 이것을 유도대전이라고 합니다. 이것은 전자의 이동이 필요하므로 도체에서만 발생하는 현상입니다.

아래 그림의 물체 A처럼 -극성으로 대전된 물체는 접지하면 전기회로가 구성되어 물체 A의 과도한 전자는 땅으로 이동하게 됩니다. 여기서도 중요한 것은 전자만 이동가능하면, 도체에서만 이러한 전자 이동이 발생한다는 것입니다. 땅과 접지함으로써 정전기가 방출되는 것입니다.

절연체의 경우는 이러한 정전기 방출이 없습니다.

인체의 정전기

인체는 소량의 정전기 용량을 가지고 있기 때문에, 접지를 하지 않은 상태에서 몸을 움직이는 동안 대전상태가 됩니다. 전자산업에서는 이러한 인체 대전을 매우 조심스럽게 다루고 있습니다. 왜냐하면 인체에 쌓인 정전기가 방출하게 되면 전자회로가 고장날 수 있기 때문입니다. 이를 방지하기 위해 작업자는 다음과 같은 접지 스트랩을 착용하고 전자회로룰 만지게 됩니다.

인체는 대전표에서 보듯이 +극으로 대전되기 쉽습니다. 즉, 인체에 전자가 부족한 상태입니다. 이 때 접지하게 되면 땅으로 부터 전자가 유입되어 대전 상태가 해소됩니다. 이때도 전자가 빛의 속도로 이동하여 해소된다기 보다는 인체와 땅 간의 전기 에너지가 같아져서 해소된다고 보는 것이 맞습니다.

대전 전위가 해소되는 시간에 대한 공식은 다음과 같습니다.

위 그림에서 접지 저항(물체와 땅 사이의 저항)을 1M옴, 도체의 정전 용량 C가 1000pF인 경우, 대전 전위가 해소되는 시간은 1ms가 됩니다. 인체의 경우 정전용량이 200pF정도이기 때문에 접지 저항을 1M옴이라고 하면 전위가 해소되는 시간은 1ms를 5로 나눈 0.2ms가 됩니다. 간단히 방출해야 할 전위가 적기 때문에 더 빨리 방출된다고 보면 됩니다. 위 그래프에서는 정전 용량이 작아지면 해소 시간이 느려진다고 되어 있는데, 잘못되어 있습니다.

참고로 인체는 대전 전위가 1kV 이하의 경우는 정전기 방출을 느끼지 못한다. 따끔한 통증을 느끼는 것은 3kV 수준이다. 인체와 땅의 대전 전위가 1kV이하라면 우리는 접지를 하더라도 느낌지 못할 것이다.

방출 시간을 아래 사이트에서 시뮬레이션 해볼 수 있다.

https://www.digikey.kr/ko/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-time-constant

위에서 접지로 인한 정전기 방출은 도체에서만 가능하다고 했습니다. 맨발이 아니라 절연체인 신발을 신고 있다면 신발 속에 쌓여 있는 정전기는 접지 하더라도 방출되지 못합니다. 그러나 이때 마치 절연체의 정전기가 사라진 것처럼 측정될 수 있습니다.

절연체와 도체가 붙어 있고, 도체가 접지되어 있다면 유도대전에서 봤듯이 절연체의 대전 극성과 반대되는 극성이 도체 표면에 나타납니다. 이 때 절연체는 부도체이기 때문에 전자가 이동하지 못하는 상태입니다. 이 때 절연체와 도체가 맞댄 부위의 전압을 측정하면 0V가 나올 수 있습니다. 왜냐하면 이 부분에는 절연체의 전기장이 도체의 전기장에 의해 상쇄되기 때문입니다. 전압이 0V로 측정 되더라도 절연체의 정전기가 사라진 것은 아닌 것입니다.

정전기 대책

어떻게 하면 쉽게 정전기를 제거할 수 있는지 알아보겠습니다.

가장 쉬운 방법은 공기 중에 습도를 높여 주는 것입니다. 습도가 높으면 공기 중에 물방울이 많고 정전기가 물을 통해서 빠져 나갑니다.

실제로 인천시 보건환경연구원이 5~7월 원적산, 문학산, 늘솔길공원 등 3개 도시숲의 피톤치드류와 기상인자를 측정한 결과, 한낮 평균 온도는 도심보다 2.3℃ 낮고 평균 습도는 10.7% 높게 나타났다. 이는 나뭇잎이 그늘을 만들어 체감온도를 낮추고 잎의 증산작용을 통해 주변의 온·습도를 조절하기 때문으로 숲에서 쾌적함을 느끼는 주요인이다.

숲이 도시환경보다 습도가 높습니다! 가장 쉬운 정전기 제거 방법은 숲이 우거진 곳에서 걷는 것입니다.

Posted through the ECblog app (https://blog.etain.club)

[맨발걷기 파헤치기 책 #9] 5장 정전기 - 정전기는 왜 발생하나

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