전기의 정체, 전류, 전압 그리고 저항

원자의 구조

 세상의 모든 물질은 매우 작은 분자 또는 원자의 집합으로 구성되어 있습니다. 이들은 양전기를 띄는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 음전기를 띈 몇 개의 전자들로 구성되어 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성된 원자핵과 원자핵의 외각을 둘러싸고 있는 전자로 구성됩니다.

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 전자가 돌고 있는 길을 궤도라고 하고, 이 궤도는 원자핵 가까이부터 순서대로 1, 2, 3... n번째 궤도라고 합니다. 좀 더 정확히는 K 각(2개), L 각(8개), M 각(18개), N 각(32개).... Q 각이라고 합니다. 괄호 속의 숫자는 그 궤도에서 존재할 수 있는 전자의 최대 개수를 나타내고 있습니다. 
 전자가 많아질수록 궤도의 수는 증가하게 되고 가장 바깥쪽의 궤도에 존재하는 전자들은 원자 중심부에 있는 핵에서 멀어져서 약한 핵력으로 인해 이탈이 쉬워집니다. 이처럼 전자궤도를 이탈하여 원자와 원자 사이를 자유롭게 이동하는 전자들을 일컬어 자유전자라고 합니다.

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전류

 이렇게 자유전자들이 움직이는 것을 전류라고 합니다. 흔히 우리들이 전류가 크다 또는 전류가 작다고 말합니다. 전류의 세기는 어떠한 물질(도체)의 단면을 1초간 통과하는 전하의 양으로 표시됩니다. 즉, t 초간의 C 쿨롱(전하의 양)의 전하가 물질(도체)에 흐르는 양을 전류라고 하며, I로 표시합니다. 이것을 관계식으로 표현하면 다음과 같게 됩니다.
I[암페어] = C[쿨롱] / t[초]
 이러한 전류의 단위는 A(암페어)라고 표시합니다. 1 A(1암페어)란 위의 관계식에서, 통과하는 전하가 매초 1C의 비율로 흐르는 전류의 크기입니다. 1 A는 1초 동안 6.25X10^18개의 전자가 물질의 단면을 통과할 때 전류의 세기입니다. 따라서 전자 1개가 가지는 전하량은 1.6X10^(-19) C라고 계산될 수 있습니다.

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전압

 전압이란 도체 내에 있는 두 점 사이의 전기적인 위치에너지(전위)의 차이를 말합니다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하도 마찬가지로 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동합니다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지(위치에너지)를 가지고 있듯이, 전압이 클수록 더 많은 전기에너지를 가지게 됩니다. 또한, 높이 차이가 없으면 물은 흐르지 않듯이 전압이 0인 경우에는 전류가 흐르지 않습니다. 

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 전압의 단위는 V(볼트)이며, 1V는 1C의 전하가 두 점 사이에서 이동하였을 때 하는 일이 1J 일 때의 전위차입니다. 우리가 일반적으로 쓰는 건전지를 바닥에 세워서 놓아봅시다. 바닥과 닿고 있는 음극(-)부분을 0V, 위쪽의 양극(+) 부분을 1.5V라고 하면 두 극 사이에 1.5V만큼의 전위차이가 있는 것입니다. 1.5V 건전지를 기준점 0V라고 하였을 때 전기적인 높이를 전위라고 합니다.

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전원과 부하

 건전지와 같이 기전력을 연속적으로 발생시켜서 전류를 보낼 수 있는 장치(기기)를 전원이라고 합니다. 발전소의 발전기와 자전거의 발전기 또한 전원의 일종이며 현재 많이 쓰이는 보조배터리도 전원의 일종입니다. 건전지에 전구를 연결하여서 불이 켜지고 시간이 지나면 전구의 빛이 점점 어두워져 희미해지다가 불빛을 잃어버리게 됩니다. 이는 건전지가 가지고 있는 전기에너지가 전구의 발광이라는 빛에너지로 변환되어서 소모되었기 때문입니다. 이처럼 전기에너지를 소비하는 것을 ‘전원에 대한 부하’라고 합니다. 우리는 전기 에너지를 TV, 에어컨, 히터 등의 부하에 접속하여 생활에 유용하게 응용하고 있는 것입니다.

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저항

 전기분야에서 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리량입니다. 저항의 반대는 전기전도도로 얼마나 전기가 잘 흐르는지를 나타냅니다. 같은 이름의 전기부품도 존재하며 저항값에 따라 여러 색깔로 구분하게 됩니다. 저항이 발생하는 큰 이유는 전자끼리의 충돌과 도체(금속)의 불순물입니다. 기본적으로 사용되는 전선도 금속으로 만들어지기 때문에 저항값을 가지게 됩니다. 단위는 옴(Ω)을 쓰며 1Ω은 1A의 전류가 흐르는 전기의 전압이 1V일 때를 말합니다. 만약 10V의 전압이고 5Ω의 저항이면 전류는 2A가 됩니다. 이렇게 저항, 전류, 전압과의 관계를 옴의 법칙이라고 합니다.

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단위 

 일상생활에서 우리는 여러 물체를 측정하기 위해 기준점을 설정하고 단위를 이용해 말하곤 합니다. 물리학에서는 물리량을 측정하기 위한 표준으로 정의하여 절대적인 등급입니다. 국제단위계 SI에서 표준화된 단위들과 그 앞에 붙는 접두어들을 살펴보겠습니다. 

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MKS 단위

 SI 단위계는 MKS 단위라고도 불립니다. Meter(m), Kilogram(kg), Second(초)를 기본으로 하는 단위계입니다. 그중 기본단위로 정해지는 7개의 기본 단위가 있습니다. 길이, 질량, 시간, 전류, 온도, 물질량, 광도를 측정하는 단위들이며 각각 미터(m), 킬로그램(kg), 초(s), 암페어(A), 켈빈(K), 몰(mol), 칸델라(cd)입니다. 1초는 온도가 0K인 세슘 원자의 일정 진동수의 지속 시간입니다. 1미터는 빛이 진공에서 1/299792458초 동안 진행한 경로의 길이로 정의됩니다. 1킬로그램은 질량의 단위이며 플랑크 상수(h, 단위 진동수 당 에너지)가 정확히 6.62607015×10−34J⋅s (J = kg⋅m2⋅s-2) 되도록 하는 값입니다. 1암페어는 위에서 설명한 것과 같이 1초 동안 6.25X10^18개의 전자가 물질의 단면을 통과할 때 전류의 세기입니다. 열역학적 온도의 단위인 켈빈은 절대적인 온도입니다. 0 K에서는 모든 원자, 분자의 운동이 멈추게 되며, 이상기체의 부피는 0이 되는 값입니다. 1몰은 단위 물질의 양이 아보가드로 수(6.02214076×1023)인 것으로 정의되었습니다. 간단히 원자나 전자, 광자의 개수라고 보면 편합니다. 칸델라는 어떠한 점광원에 대해서 특정한 방향으로 이동하는 빛의 광속을 의미합니다.