전기파이프

물체 A는 적은 음전하를 갖고 있고 물체 B는 적은 양전하를 갖고 있다고 가정하자. 물체 C는 매우 많은 음전하를 갖고 있다. A와 B 는 구리선에 연결되어 C에 매우 가까이 놓였으나 접촉하지는 않는다. A에 있는 음전하는 어떻게 되겠는가?

 

(a) 구리선을 통해 B로 흐를 것이다.

(b) C의 척력효과로 인해 B로 흐르지 않을 것이다

 

 

 

 

 

정답 : a

 

비록 C 의 음전하에 의해 전자들이 제자리로 돌아갈 것처럼 보이지만 문제는 전선을 전자라는 작은 공이 흐르는 빈 유리관으로 생각한 데서 발생한다. 그와 같은 생각은 잘못된 것이다. 만약 그 생각이 옳다면 정답은 (b)가 될 것이다. 그러나 사실 전선에서의 전류는 마치 C 가 없는 것처럼 흐른다.

 

전선속의 전자들은 C 의 영향으로부터 전선의 내부를 차단한다. 이것은 다음과 같이 발생한다. A 와 B 없이 단지 전선과 물체 C만을 고려하자.C 근처의 전선에 양전하가 대전되는 한편 C로부터 먼 부분의 전선에는 음전하가 대전된다. 이렇게 유도된 전하 분포는 전선 내부에 전기장을 형성하여 C에 의한 전기장과 완전한 균형을 이루게 된다. 이와 같은 현상은, 전선 내부의 순전기장이 없어질 때까지 전선 내부의 순간적인 전자의 흐름에 의해 발생한다. 그러면 부가적인 위치에너지 차가 만들어질 때까지(즉 A와 B가 등장할 때까지)는 더 이상의 흐름은 없게 된다.

 

물론 C의 효과를 상쇄시키는 전하의 재분포를 위한 충분한 자유 전자가 전선에 존재해야 한다. 그러나 전선에 충분한 자유 전자가 존재하지 않는다면 전선을 C의 효과로부터 완전히 막지는 못한다. 실제로 금속 전선에는 항상 충분한 자유전자가 있으나 상대적으로 적은 자유전자를 갖고 있는 게르마늄 같은 반도체 물질들도 있다. 이런 현상은 필드효과 트랜지스터(field-effect transister)라 불리는 전기 밸브를 만드는 데 유용하다. 이 장치는 적은 전자의 흐름을 다른 전자들에 의해 정지시킬 수 있는 것으로서, 그림에서 보는 것처럼 작동한다. 반도체 브리지(다리)는 두 개의 금속 전선과 연결되어 있다. 보통은 전자들은 소스(근원) 전선으로부터 반도체 브리지를 통해 드레인(유출) 전선으로 흐른다. 그러나 만약 다리에 접촉하지는 않으나 매우 가깝게 위치한 게이트(문)라 불리는 다른 금속 조각이 브리지의 전자들을 밀어내도록 음으로 만들어 진다면 그것에 의해 전류가 정지하여 밸브가 잠길 것이다.

 

만약 브리지를 구리로 만든다면 이 전기 밸브는 작동하지 않게 된다. 왜냐하면 브리지의 윗부부에는 게이트의 음전하로부터 브리지 밑에 있는 물질을 보호하기 위한 충분한 양전하가 존재하기 때문이다. 그러나 반도체에서는 브리지를 보호하기 위한 충분한 자유 전자가 없다.

 

필드 효과 트랜지스터의 개념은 1920 년대에 발전되었으나 1960 연대에서나 실용 가능해졌다. 접합 또는 쌍극 트랜지스터라 불리는 다른 타입의 트랜지스터가 있는데 이것은 대부분의 물리학 책에 설명되어 있다.