¶ 지식 정보
¶ 전기 전도성
물질이 전류를 얼마나 잘 흐르게 하는지를 나타내는 성질이다.
¶ 에너지띠
전자의 에너지 준위가 겹쳐 연속적인 것처럼 보이는 에너지 준위 영역이다.
파울리 배타 원리에 의해 두 전자는 같은 양자 상태를 가질 수 없으므로, 고체처럼 수많은 원자가 매우 가깝게 위치한 경우
미세하게 갈라진 에너지 준위가 겹쳐 거의 연속적인 띠를 이룬다.
¶ 띠 간격
에너지띠 사이의 간격으로, 전자는 이 영역의 에너지를 가질 수 없다.
¶ 허용된 띠
¶ 원자가 띠
전자로 채워진 에너지띠 중 가장 바깥쪽에 있는 에너지띠이다.
일반적으로 원자가 띠에서 전자는 위치할 수 있는 모든 에너지 준위에 가득 차 있어 자유롭게 움직이지 못한다.
¶ 전도띠
아래 그림과 같이 원자가 띠에 있는 전자는 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격 이상의 에너지를 흡수하여 전도띠로 전이할 수 있다.
전도띠로 전이한 전자는 자유롭게 움직일 수 있는 자유 전자가 된다.
¶ 고체의 전기 전도성
원자가 띠에서 전도띠로 전이한 전자는 자유 전자가 되므로 고체에 전류가 흐를 수 있게 된다.
띠 간격이 좁을수록 전자가 흡수해야 하는 에너지가 적어 원자가 띠에서 전도띠로 잘 전이하므로 전기 전도성이 좋다.
고체는 전기 전도성에 따라 도체, 절연체(부도체), 반도체로 구분한다.
¶ 도체
아래 그림과 같이 원자가 띠와 전도띠가 겹쳐 있거나 원자가 띠의 일부분만 전자로 채워져 있어 상온에서도 많은 자유 전자가 존재한다.
예시로 금, 은, 구리 등이 있다.
¶ 절연체(부도체)
아래 그림과 같이 원자가 띠가 모두 전자로 채워져 있고, 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격이 넓어 전자가 원자가 띠에서 전도띠로 전이하기 매우 어렵다.
예시로 나무, 유리, 다이아몬드 등이 있다.
¶ 반도체
아래 그림과 같이 원자가 띠가 모두 전자로 채워져 있고, 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격이 좁다.
예시로 규소, 저마늄 등이 있다.
¶ 고체의 전기 전도성 예시
도체는 전기 전도도가 매우 높아 전기 저항이 매우 작으므로 전류가 잘 흐르고,
절연체는 전기 전도도가 매우 낮아 전기 저항이 매우 크므로 전류가 거의 흐르지 않는다.
이를 활용해 아래 그림과 같이 도선 내부는 전류가 잘 흐르도록 도체인 구리로 만들고, 도선 외부는 감전과 전류가 새는 것을 막기 위해 절연체로 감싸 만든다.
¶ 정전기 유도
대전체를 가까이 가져갔을 때, 물체 내부의 전하 분포가 변하면서 물체가 전하를 띠는 것이다.
¶ 도체에서의 정전기 유도
도체에 대전체를 가까이하면 도체 내의 자유 전자가 이동하여 표면이 전하를 띠게 된다.
¶ 절연체에서의 정전기 유도(유전 분극)
절연체에 대전체를 가까이하면 원자나 분자 내부 전하의 배열이 정렬되어 전하를 띠게 된다.
¶ 유전율
절연체에서 유전 분극이 얼마나 잘 일어나는지를 나타내는 물리량이다.
기호로 으로 나타내고, 단위는 주로 을 사용한다.
아래 그림과 같이 외부 전기장이 있을 때, 유전 분극으로 물질이 전하를 띠게 되면서 내부에는 외부 전기장과 반대 방향의 전기장이 유도된다.
이로 인해 외부 전기장이 일부 상쇄되므로, 유전율이 큰 물질일수록 전체 전기장의 세기가 작아진다.
진공에서는 유전 분극이 일어날 수 있는 물질 자체가 존재하지 않으므로 유전율이 가장 작다.
진공의 유전율은 기호로 로 나타낸다. 쿨롱 상수는 이다.
¶ 적용 문항
¶ 1번 문항
정답: $2$
ㄱ. 파울리 배타 원리에 의해 두 전자는 같은 양자 상태를 가질 수 없으므로, 고체처럼 수많은 원자가 매우 가깝게 위치한 경우
미세하게 갈라진 에너지 준위가 겹쳐 거의 연속적인 띠를 이룬다.
그러므로 원자가 띠에 있는 전자들의 에너지 준위는 다양하다. (X)
ㄴ. 도체는 원자가 띠와 전도띠가 겹쳐 있거나 원자가 띠의 일부분만 전자로 채워져 있다.
반도체는 원자가 띠가 모두 전자로 채워져 있고, 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격이 좁다.
절연체는 원자가 띠가 모두 전자로 채워져 있고, 원자가 띠와 전도띠 사이 띠 간격이 넓다.
그러므로 , , 는 각각 도체, 반도체, 절연체이다. (O)
ㄷ. 반도체는 전기 전도성이 중간 정도인 고체이고, 절연체는 전기 전도성이 좋지 않은 고체이다.
그러므로 전기 전도성은 (반도체)가 (절연체)보다 좋다. (X)
따라서 정답은 번이다.
¶ 2번 문항
정답: $5$
ㄱ. 도체에 대전체를 가까이하면 도체 내의 자유 전자가 이동하여 전하를 띠게 되고,
절연체에 대전체를 가까이하면 원자나 분자 내부 전하의 배열이 정렬되어 전하를 띠게 된다.
그러므로 대전된 막대를 가까이하였을 때 (가)에서 전자가 막대에서 멀어지는 방향으로 이동하였으므로 는 도체이고,
(나)에서 전하의 배열이 정렬되었으므로 는 절연체이다. (X)
ㄴ. 도체는 전기 전도성이 매우 좋은 고체이고, 절연체는 전기 전도성이 좋지 않은 고체이므로 전기 전도성은 가 보다 좋다. (O)
ㄷ. (가)에서 음전하를 띠는 자유 전자가 막대에서 멀어지는 방향으로 이동하였으므로 막대는 음으로 대전되어 있음을 알 수 있다.
(나)에서 양전하 쪽이 대전된 막대 쪽을 향하도록 정렬되었으므로 막대는 음으로 대전되어 있음을 알 수 있다.
그러므로 (가)와 (나)에서 막대는 모두 음으로 대전되어 있다. (O)
따라서 정답은 번이다.