전류(current)
전기 성질을 가진 전하가 이동하는 현상
전압에 의해 형성된 전기장 내에 놓인 도체의 자유 전자는 전기장과 반대 방향으로 이동함으로써 전류가 형성된다. 흔히 '전류가 흐른다'라고 표현한다. 물에 빗대어 표현하자면 '물이 흐르는 양'이라고 할 수 있다. 전류의 흐름에는 방향이 있다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳에서 흐르듯이, 전류 또한 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다.
일정한 전기장 내에서는 자유 전자가 도체 내의 원자들과 지속적으로 충돌하여 가속 운동 대신 평균적인 등속 운동을 하게 된다. 마치 구름에서 떨어지는 빗방울이 공기와의 마찰이 없다면 계속 가속하여 속도가 커지게 되지만, 실제로는 공기와 계속하여 마찰이 일어나기 때문에 등속 운동을 하게 되는 것과 같다.
<크기>
회로의 임의의 점에서의 전류의 크기는 매초 그 점을 통과하는 전하량으로 정의된다.
회로에서 어떤 점의 단면을 미소 시간 dt 동안에 전하량 dQ가 통과했을 때 전류의 크기 I는 다음과 같다.
<방향>
전류의 방향은 양전하가 이동하는 방향으로 정의된다.
실제로는 양전하인 원자핵이 아니라 음전하인 자유 전자가 이동한다. 원자핵은 매우 무거워서 이동하지 못 하고, 원자핵의 구속력에서 쉽게 벗어날 수 있는 최외각 전자인 '자유전자'만이 전류의 전도에 기여할 수 있다. 다만, 전류의 방향이 전자의 이동 방향이 아닌 양전하의 이동 방향으로 정해진 이유는 전류의 방향을 정의한 당시에 과학자들이 전자의 존재를 몰랐기 때문이다. 맨 처음에 전기가 양극에서 음극으로 흐른다는 내용을 발표한 사람은 벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin)이다. 그는 폭풍우 속의 번개와 같은 자연현상을 통해 전류의 속성을 연구했을 때, 여러 가지 이유로 양극에서 음극으로 전기 유체(electrical fluid)의 흐름을 관찰했다고 믿었으며, 1747년에 이러한 개념을 발표했다. 초기 전기 연구 과정에서 일종의 혼동이 발생하여 이러한 오류가 발생한 것이다. 이러한 오류는 150년이 지난 1897년에 물리학자 J.J 톰슨(J.J Thomsom)이 전자의 발견을 발표하기까지 수정되지 않고 남아 있었다.
아직까지도 이런 정의가 사용되는 이유는 양전하, 음전하의 이동 모두 동일한 전류 현상을 보이기 때문이다. 자유 전자(음전하)가 이동하면 원래 있던 곳은 양전하를 띠게 된다. 따라서 실제로는 음전하가 이동하지만, 반대로 생각해보면 음전하는 가만히 있고 양전하가 반대 방향으로 움직여 간다고 생각할 수 있다. 결국은 둘 다 같은 현상에 대한 관점의 차이이므로 양전하 또는 음전하 어느 쪽이 이동하는 것으로 보든 현상적으로나 수학적으로나 차이가 없다. 더불어 양전하의 운동 방향이 전류의 방향으로서 오랫동안 관습적으로 사용되어 왔기 때문인 이유도 있다.
※전도: 열 또는 전기가 물체 속을 이동하는 일. 또는 그런 현상. 열전도, 전기 전도 따위가 있다.
<단위>
단위는 암페어(ampere)이고, 단위 기호는 A로 표현한다.
1암페어란 1초에 1쿨롱이 흘러가는 것을 뜻한다. 1암페어 = 1쿨롱/초=6.25*10^18 전자/초
※1쿨롱(coulomb)=6.25*10^18개의 전자가 가지는 전하량
<전류 단위의 유래: 앙드레 마리 앙페르>
전류의 단위인 암페어(ampere)는 전기 분야의 선구자인 앙드레 마리 앙페르(Andre Marie Ampere)의 이름을 딴 것이다. 그는 1775년 프랑스 출생 물리학자로서, 수학 천재였다. 대부분의 지식을 아버지의 도서관에서 독학으로 배웠지만 과학 교사가 되었다.
전선을 통해 전류가 흐를 때 전선 주변에 자기장이 만들어지는 '앙페르 회로 법칙'을 발견하였으며, 이러한 원리를 이용하여 최초로 전류를 측정할 수 있는 최초의 도구인 갈바노미터(galvanometer)를 만들었다.
그의 업적 중 가장 유명한 것은 1820년에 전류에 의해 자기장이 만들어지는 방법을 설명한 전자기학(electromagnetism) 이론을 정립한 것이다.
전압(voltage)
전류를 흐르게 하는 힘
질량을 가진 물체가 있으면 그 물체 주위로 중력장이 발생하여 중력장 내에 있는 다른 물체들을 끌어 당긴다. 마찬가지로 전하도 자신 주위로 전기장이 발생하여 전기장 내에 있는 다른 전하들을 밀거나 끌어 당긴다. 이처럼 중력 내의 질량이나 전기장 내의 전하는 힘을 받아 운동하게 된다. 이때 물체 또는 전하의 두 점 사이의 이동은 두 점 사이의 위치에너지 차가 있어야만 이루어진다.
※전기장: 전기를 띤 물체 주위의 공간을 표현하는 전기적 속성. 다른 대전 물체에 전기적 힘을 미친다.
중력장의 세기 G는 단위 질량의 물체가 중력장 내에서 받는 힘의 세기이다. 따라서 물체의 질량이 m, 중력장의 세기가 G이면 중력장에 의해 물체가 받는 힘는 f=mg [N]이다. 따라서 크기가 일정한 중력장 G 내에서 높이 차가 h인 두 점 사이의 단위 질량에 대한 위치에너지 차는 Gh가 된다.
이와 마찬가지로, 전기장도 동일한 형태의 식이 나오게 된다. 전기장의 세기 E는 단위 전하 1C[쿨롱]가 전기장에 의해 받는 힘이다. 따라서 q 쿨롱의 전하가 전기장 E에 의해 받는 힘은 f=qE [N]이다. 그러므로 균일한 전기장 E 내에서 길이가 l인 두 점 사이의 단위 전하에 대한 위치에너지 차는 El이다. 이때 전기적인 위치에너지 차는 V라고 하며 다음과 같이 정의된다.
'전기적인 위치에너지 차'를 줄여서 전위차 또는 전압이라고 하고, 이는 전류를 발생시키는 힘이 되기 때문에 기전력이라고도 한다.
이때 전압을 만들어 주는 에너지원을 전압원이라고 하며 대표적인 예로 배터리(전지)가 있다. 배터리(전지)는 전류가 흐를 수 있도록 전압의 차이를 발생시키는 역할을 한다. 전류는 전원에서 접지로 흐른다. 전류가 출발하는 전원이 배터리의 양극(+)이고 전류가 도착하는 접지가 배터리의 음극(-)이다.
<단위>
전압의 단위는 볼트(volt)이며 단위 기호는 V로 표현한다.
<전압 단위의 유래: 전지의 최초 발명자>
전압(Voltage)의 단위인 볼트(Volt)는 전기 분야를 개척한 알렉산드로 볼타(Alessandro Volta)의 업적을 기려 그의 이름에서 따온 것이다. 볼타는 1745년 이탈리아 롬바르디아 지방의 코모에서 태어났다. 그는 화학을 공부한 후 1774년에 물리학과 교수가 되었으며, 정전기로 인해 개구리의 다리가 경련하는 현상인 갈바니 반응(galvanic response)에 흥미를 느끼는 등 전기에 큰 관심을 가졌다.
볼타는 소금물이 가득 든 와인잔에 한쪽은 구리로 만들어진 금속 전극을, 다른 한쪽은 아연으로 만들어진 금속 전극을 두면, 두 금속 전극 사이의 화학작용으로 인해서 안정적인 전류를 만들어낼 수 있음을 보여주었다. 그는 1800년에 구리판과 아연판 사이에 소금물에 젖어있는 종이판을 넣은 것을 몇 겹으로 쌓아 올린 형태로 전지를 개선하여 세계 최초의 전지인 '볼타 전지(voltaric pile)'를 만들었다. 연속 전류를 공급해 줄 수 있는 최초의 전지인 것이다.
출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Alessandro_Volta
저항(resistance)
전류를 방해하는 요소
저항을 사용하면 물이 흐르는 양을 조절하는 돌이나 댐처럼 전류의 세기를 조절할 수 있다. 일반적으로 물체의 저항의 크기는 자유 전자의 양에 따라 달라진다. 자유 전자가 많은 물질일수록 저항이 작으며, 반대로 자유 전자가 작으면 저항이 크다.
<단위>
단위는 옴(Ohm)이며 문자 Ω로 표현한다. 옴(Ω)은 물리학자 옴(Ohm)의 이름을 기념한 것이다.
<저항의 크기에 따른 물질 분류>
절연체(insulator): 매우 높은 저항을 가지고 있는 물질. 자유 전자가 거의 없어 전류의 전도가 잘 일어나지 않아 저항이 높다. 전선을 감싸고 있는 다양한 색깔의 비닐 피복 등의 대부분의 플라스틱이 절연체에 해당한다.
도체(conductor): 매우 낮은 저항을 가지고 있는 물질. 자유 전자가 많아 전류를 잘 전도시키기 때문에 저항이 낮다. 은, 금, 알루미늄, 구리 등의 금속이 도체에 속한다.
출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Insulator_(electricity) , https://en.wikipedia.org/wiki/Copper
옴의 법칙(Ohm's law)
전압, 전류, 저항 간의 관계를 설명하는 법칙으로서, V = I x R로 표현된다. 전기 회로 대부분이 이 법칙을 따르고 있다. 대부분이라고 한 이유는 '바일 금속(Weyl metal)'의 발견 때문에 그렇다. 바일 금속은 전류-저항 관계가 선형이 아닌 비선형이어서 옴의 법칙이 적용되지 않는 예외에 속한다.
$$ I = \frac{V}{R}, R = \frac{V}{I}, V = I \times R $$
이 식에서 V는 두 지점 사이의 전위차를 나타내며, R은 같은 위치에 존재하는 저항, I는 두 지점 사이를 흐르는 전류량을 뜻한다. 전압이 커질수록 전류의 세기가 세지고, 저항이 클수록 전류의 세기는 약해진다. 전류는 전압에 비례하고, 저항에 반비례한다. 전류의 기호로 A가 아니라 I라는 약자를 쓰는 이유는 초기에 전류를 측정하기 위해 전류가 자기장을 유도할 수 있는 능력을 나타내는 유도 계수인 인덕턴스(inductance)를 측정하여 간접적으로 전류를 측정하는 방법을 썼기 때문이다. 암페어(ampere)의 약자인 A를 썼다면 혼동이 덜 했겠지만 이미 I로 고착화되었다.
<옴의 법칙의 발견>
저항과 옴의 법칙을 발견한 사람은 1787년 독일 바바리아(Babaria)에서 태어난 물리학자인 게오르그 시몬 옴(Georg Simon Ohm)이다. 그는 직접 만든 전선을 이용해서 전기의 속성을 연구하였다.
옴은 1872년에 전기 저항이 온도가 일정하면 구리와 같은 도체의 단면적과 반비례하여 변하며, 저항이 일정하면 도체에 흐르는 전류는 전압과 비례한다는 것을 실제로 시연해 보였다. 그가 1827년에 발견한 이 법칙을 '옴의 법칙(Ohm's law)'이라고 부른다.
<이상적인 저항의 전압-전류 특성>
220Ω, 330Ω 등과 같이 어떤 특정한 저항 값을 가지도록 만들어진 고정저항은 이상적으로는 오른쪽 그림과 같이 전압과 전류에 대해 선형적인 특성을 보인다. 그러나 실제 저항은 제한된 범위 내에서만 전압-전류 특성이 선형적이다.
<참고문헌>
(1) 박필준. Do it! 키트 없이 만드는 아두이노. 이지스퍼블리싱, 2020.
(2) 신윤기. 전기전자공학 길라잡이. GS인터비전, 2017.
(3) 찰스 플랫. 짜릿짜릿 전자회로 DIY. 인사이트, 2012.
(4)https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EB%A5%98#%EC%A0%95%EC%9D%98%EC%99%80_%EB%8B%A8%EC%9C%84
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