전기의 기초

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전기가 인류 문명에 도입된 이후로 인류는 비약적인 발전을 이루었습니다. 여러분이 스마트폰을 사용할 수 있는 것도 엄밀히 따지면 전기가 있기 때문이죠. 하지만 전기는 눈에 보이지 않습니다. 또한 매우 추상적이라 개념을 이해해기 난해합니다. 그래서 대충 뜬구름 잡기로 이해하고 넘어가는 경우가 많습니다. 사실 공학도가 아니고 일반인이라면 그런 경우가 더 많기도 합니다. 하지만 기초부터 튼튼히 짓지 않은 건물은 사상누각, 즉 무너지기 쉽습니다. 오늘은 전기의 가장 기초가 되는 사항부터 함께 살펴보도록 하겠습니다.

 

 원자의 구조

모든 물질은 분자로 구성되어 있습니다. 분자는 원자의 집합체입니다. 그리고 원자는 양전기를 띈 원자핵과 음전기를 띈 전자로 분류할 수 있습니다. 원자의 이미지는 아래 링크에서 확인하실 수 있습니다.

 

itrs.hanyang.ac.kr/radiation/file/for%20workers/worker%20atom.htm

원자의 구조

 

위 이미지에서 보실 수 있듯이 원자의 구조는 중심에 핵이 있고 그 둘레에 음전기를 가진 전자가 궤도를 그리며 돌고 있습니다. 마치 지구가 태양을 중심으로 돌고, 달이 지구를 중심으로 도는것과 유사한데요.

원자핵은 (+)의 양성자와 (0)의 중성자로 구성되어 있습니다. 원자핵의 질량은 전자보다 무겁기 때문에 원자의 중심이 됩니다. 전자가 돌고 있는 길은 궤도라고 불리우며 배열을 갖습니다. 하나의 궤도(전자각)에 들어갈 수 있는 전자의 수량은 정해져 있습니다. 전자가 많아질수록 각 궤도는 증하하고 바깥 궤도의 전자들은 핵에서 멀기때문에 핵에서 당기는 힘이 약해져서 이탈하기 쉽습니다. 

 

그렇다면 구리원자를 예로 들어서 설명해볼까요?

 

 구리원자는 29개의 전자를 가지고 있고 동시에 원자핵 안에 29개의 양 자를 가지고 있습니다. 그래서 구리(Cu)의 원자번호는 29입니다. 전자는 (-)전하를 가지고 있고 양자는 (+)전하를 가지고 있습니다. 양자와 전자 하나가 가지고 있는 전하량은 서로 같기 때문에 구리 원자는 전기적으로 중성이 됩니다. 29개의 전자는 하나의 궤도(전자각)에 있는 것이 아니고 여러 개의 궤도에 나뉘어 분포하는데요. 이때 하나의 전자각에 들어갈 수 있는 전자수는 2n2(2곱하기 n제곱) 개 입다.

즉 1각에는 2 개, 2각에는 8 개, 3각에는 18 개의 전자가 들어가고, 나머지 1개의 전자는 외롭게 최외각에 홀로 존재합니다. 이와 같이 최외각에 있는 전자를 가전자라고 합니다. 가전자라고 해서 “가짜 전자”라는 뜻이 아니라 원자의 가 치를 결정하는 전자, 즉 원자가전자(原子價電子)를 줄여서 가전자라고 하합니다. 모든 원소의 화학적 특성 은 원자가전자에 의해 결정되기 때문에 중요하죠.

 

 

 

 자유전자

 원자의 구조에서 최외각에서 돌고 있어서 원자로부터 분리되어 자유로이 돌아다닐 수 있는 것도 있으며, 외부에서 열, 빛, 마찰을 가하면 궤도를 이탈하여 자유로워지는 전자를 자유전자라고 합니다.

 전기의 여러가지 현상은 자유전자의 움직임에 의한 것이 대부분입니다. 중성물질에서 자유전자가 튀어나오면 물질은 (+)전기를 띄게 되며, 반대로 전자가 들어오면 (-)전기를 띄게 됩니다. 전자가(-)전하를 가지고 있기때문에 0인 중성 상태에서 전자가 빠져나가면 부족한만큼 (+)전하가 우세하기 때문에 발생하는 현상입니다.

 전자가 에너지를 얻어 에너지가 증가하게 되면, 금지대를 벗어나 자유전자가 되고 자유전자는 원자 사이를 이동합니다. 이렇게 생긴 전기를 전하라고 부릅니다. 이렇게 원자가 전자를 잃거나 얻어서 전기적인 성질이(0)에서 (+), (-)로 변하는 것을 대전된다고 표현하며 대전된 물체를 대전체라고 합니다.

 

전류는 전하가 이동하는 것입니다. 전하가 이동한다기 보다는 전하를 가지고 있는 전자가 이동한다고 말하는 것이 더 정확한 표현입니다.

 

 

 전류의 방향과 크기

이상에서 본 바와 같이 전자가 이동하는 방향은 전압의 (-) 극→ (+) 극 방향이지만 정공의 이동방향은 전압의 (+) 극→ (-) 극 방향입니다. 따라서 전류의 방향은 전자의 이동방향을 기준으로 한 것이 아니라 정공의 이동방 향을 기준으로 한 것이입니다. 전류는 이러한 전자의 이동이고, 전자는 음극(−극)에서 양극(+극) 으로 이동합니다. 그러나 전류는 정공의 이동방향을 기준으로 해서 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 정의했습니다. 도체 속에 전류가 흐르는 것은 수도관 속에 물이 흐르는 것에 비유할 수 있습니다. 같은 굵기의 수도관이라도 수압이 세면 물이 많이 흐르고 수압이 약하면 조금 흐르는 것과 같이, 전류의 경우에도 같은 굵기의 전선이라도 전압이 높으면 큰 전류가 흐르고 전압이 낮으면 작은 전류가 흐릅니다.

 

지금까지 전기의 가장 기초에 대해서 알아보았습니다. 도움이 되셨기를 바라며 다음 포스팅에서 다시 찾아뵙겠습니다.