전기의 본질

 

지우 : 피카츄, 100만볼트!
피카츄 : 삐까~~ 츄~~~~~!!
- 애니 <포켓몬스터> 중에서 -

 

 

사진1. 100만 볼트나 되는 전위차를 발생시킬 수 있는 피카츄

 

 

전기가 정확히 뭐지?

초중등교육 과정에서 정말 많이 배우지만 조금만 들어가면 용어도, 의미도 헷갈려서 무작정 공식과 값만 외우고 시험치고 끝냈던 전자기학. 기계를 사용할 줄 만 알면 몰라도 되는 내용이라 용어들의 정의도 잊어버린지 오래였다. 우리의 일상에서 단 하루도 사용하지 않을 수 없는 전기에 대해 이번에 알아보았다.

 

 

사진2. 눈에 보이는 강력한 전기현상. 번개.

 

 

전기(電氣)의 정의

전기(電氣, 영어: electricity)란 전하의 존재 및 흐름과 관련된 물리현상들의 총체이다. 전기는 번개, 정전기, 전자기 유도, 전류 등 일상적인 효과들의 원인이다. 또한 전기는 전파 따위의 전자기 복사를 발산하고 또한 수집할 수 있다. - 위키백과 -
물질 내 전자의 이동으로 생기는 에너지. - 다음 백과사전 -
양, 음의 부호를 가진 두 종류의 전하가 나타내는 여러 가지 자연현상. - 네이버 지식백과 -

검색하면 금방 나오는 전기기사 자격증 강의영상에서도 나오지만, 어떤 곳에서는 전기를 '에너지'로, 또 어떤 곳에서는 전하와 관련된 '현상' 으로 설명하고 있다. 위키백과에서는 전기와 관련된 자연현상들을 나열하고 그에 대한 총칭으로 전기를 쓴다고 하는데 이렇게 '현상'으로 칭하는 편이 더 적절한 것 같다. 왜냐면 전자의 이동으로 발생하는 전하의 흐름 자제를 뜻하는 말은 전류(電流)라고 따로 존재하기 때문이다.

전류(電流, electric current)는 전하의 흐름으로, 단위 시간 동안에 흐른 전하의 양으로 정의된다. - 위키백과 -

 

 

사진3. 전하를 띠고 있는 양성자와 전자. 중성자는 전하를 띠지 않는다.

 

 

전하(電荷, electric charge)는 또 뭔가?

전하의 하(荷)는 '연꽃, 짐, 메다' 는 뜻을 가지고 있다. 즉, 전기를 짊어짐의 의미이다. 한자적 의미와 같이 전하의 정의는 '물체가 띠고 있는 정전기의 양' 이다. 세상 모든 물질은 분자로 이루어져 있고 분자들은 각각 모두 원자로 이루어져 있다. 모두 잘 알다 시피 원자는 크게 원자핵과 전자로 나눠볼 수 있는데 원자핵의 양성자와 그 주변에 존재하는 전자가 세상에 존재하는 전하의 근원이 된다. 신기하게도 전자수와 양성자수가 같은 원자는 전기적으로 중성을 띠는데 이는 기본 전하라고하는 전자와 양성자의 전하량이 1.6021773349 x 10^-19 쿨롱(C)으로 같기 때문이다(절대값이 같을 뿐 각각 음, 양으로 표기한다). 쿨롱[C]은 전하의 국제단위이며 전자나 양성자가 6.25 x 10^18개가 있다면 이를 1 C 으로 표시한다(참고로 1 C = 전자 or 양성자 6.25 x 10^18개 이기 때문에 1 C / 6.25 x 10^18 = 전자 or 양성자 1개의 전하, 즉 기본전하가 된다). 전기적으로 중성인 원자이지만 그 수의 균형이 깨져 양성자 수가 더 많은 상태가 되면 양전하를, 전자수가 더 많은 상태가 되면 음전하를 띠게 되고, 따라서 모든 물질에 존재하고 있는 이 양성자와 전자의 비율에 따라 물체는 양전하를 띠기도, 음전하를 띠기도 하는 것이다. 그리고 물질 간 전하의 차이로 인해 다양한 전기적 현상이 발생한다. (출처 : 위키 백과)

 

 

사진4. 마이클 패러데이의 전해전도실험. 전류가 흐르면서 양이온이 강철에 도금되고 있다.

 

 

전류 = 전하의 흐름

전류의 정의는 '전하의 흐름' 이라고 하였다. 물이 항상 높은곳에서 낮은곳으로 흐르듯이 전류도 그 흐름에 일정한 방향이 있다. 음전하를 띤 전하끼리는 서로 반발하고 양전하에 대해 인력이 작용하기 때문에 전기회로에서 전자는 음극에서 양극으로 흐른다. 하지만 맨처음 정의된 전류는 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 알려져 있는데, 위키백과에 따르면 전류를 발견할 당시 전자의 존재를 몰랐기 때문이라고 한다. 그럼에도 불구하고 이를 수정하지 않는 이유는 양전하가 이동하건 음전하가 이동하건 전류에 현상적인 차이는 없기 때문에 전류의 방향을 양전하의 흐름으로 통일 하는 것이라고 한다. 그뿐 아니라 실제로 마이클페러데이의 질산염 수용액과 은, 강철을 이용한 은 도금 실험에서는 양이온이 양극에서 음극으로 이동한다. 양전하를 띤 물질이 실제로 음전하를 띤 쪽으로 이동하는 것이다. 이러한 전류의 SI 단위는 암페어[A]로, 1 A 는 1초에 1쿨롱[C]의 전하가 흐른 것을 뜻한다(A = C / s).

 

 

사진5. 수위차는 전위차와 비슷하다. 높은 곳의 물은 낮은 곳보다 위치 에너지가 높다.

 

 

그러면 피카츄의 100만 볼트는 뭐지?

볼트[V]는 전압의 단위이다. 전압을 이해하려면 먼저 '전기장'과 '전위'를 알아야 한다.

전기장(electric field) : 전하로 인한 전기력이 미치는 공간이다. 전기장의 세기는 전기장 내의 한 점에 단위양전하(+1C)를 놓았을 때 그 전하가 받는 전기력의 크기로 정한다. 전기장의 방향은 고전위인 양극에서 저전위인 음극으로 향한다. - 네이버 지식백과 -
전위(electric potential) : 전기장 내에서 단위전하가 갖는 위치에너지이다. - 네이버 지식백과 -

당연한 이야기이지만, 전하를 띤 입자에서 물리적으로 멀어질수록 영향받는 전기적 힘이 약해진다. 전기장은 어떤 전하가 다른 전하에 전기력을 가할 때 이를 매개해줄 공간이 필요하다고 생각하여 도입된 개념인 것이다. 이 전기장 안에서는 전기장의 방향으로 전하 자체가 힘을 받아 가속운동을 하게 된다(+가 -와 붙으려고 하는). 이 전기장 안에서 전하를 띤 어떤 입자가 존재한다고 하면 그 전기장 속 어느 위치에 존재하느냐에 따라 그 위치를 유지하기 위해 버텨야 하는 힘이 달라질 것이다.

전압(電壓, electric pressure) 또는 전위차(電位差, electric potential difference)는 전기장 안에서 전하가 갖는 전위의 차이이다. 가장 일반적인 영어 명칭은 voltage이다. 전기 회로에서는 회로의 두 지점 사이의 전위차를 뜻하며 전기가 흐르게 하는 원인이다. - 위키 백과 -

전압은 상대적인 전위의 차이이 이기 때문에 반드시 기준이 필요하다. 피카츄의 전기기술 공격은 항상 100만볼트인데 한국의 가정집 교류전원은 양쪽 구멍 사이 전압이 220V인걸 보면 피카츄 양뺨의 전위차가 100만V 라는 것으로 해석된다. 전기 회로에서는 전기에너지 양을 전하량으로 나는 값으로 해석될수 있는데 식으로 표현하면 다음과 같다.

 

1 V = 1 J (줄, 일의 단위)/1 C(쿨롱, 전하량의 단위)

 

피카츄는 어마어마한 에너지를 만들어내고 있는 것이다.

 

유투브에서도 전압에 대해 알기쉽게 설명된 영상들이 많다.

동영상1. 전압에 대한 설명 영상 1

 

동영상2. 전압에 대한 설명 영상 2

 

 

 

 

궁금한 점

• 왜 굳이 6.25 x 10^18개를 단위로 할까?
• 전기적으로 중성인 분자에서 왜 굳이 전자가 다른 곳으로 이동하여 물질이 전하를 띠는 걸까? 양성자수와 전자의 궤도에 따라 전자를 잃기 쉽고 얻기 쉬운 원자들, 분자들 때문인걸까?