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[근대] 전기 (두산)
전기 電氣 electricity 전기 현상의 주체가 되는 전하(電荷)나 전기에너지. I. 개관 BC 600년경 그리스의 탈레스는 호박(琥珀)을 마찰하면 대전(帶電)하여 가벼운 물체를 흡인하는 것을 알고 있었다. 이것이 전기 현상의 최초의 발견인데, 이 호박을 의미하는 그리스어의 ‘엘렉트론’이 그 뒤에 전화(轉化)되어 ‘일렉트리시티(electricity)’라는 말이 유래된 것으로 전해진다. 그러나 당시는 전기와 자기(磁氣)가 반드시 구별되어 있었다고는 볼 수 없다. 전기와 자기를 명백히 구별한 것은 16세기 말 영국 엘리자베스 1세의 시의(侍醫)였던 W.길버트인데, 길버트는 자기와 마찰전기에 대해 처음으로 과학적 연구를 하였다. 그 후 프랑스의 물리학자 뒤페가 전하에 양음(陽陰)의 구별이 있는 사실을 발견하였고, 프랑스의 토목공학자 쿨롱은 전기를 가진 물체 사이에 작용하는 전기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견하였으며, 또 이탈리아의 물리학자 볼타에 의해 전지가 발명되는 등 전기 현상이 정밀과학으로서의 체계를 갖추게 되었다. 19세기에 접어들자 패러데이와 맥스웰을 비롯한 많은 과학자들이 전기를 연구하게 되어 전기에 관한 법칙이 뒤를 이어 발견되었다. 옴의 법칙, 전자기유도(電磁氣誘導)의 법칙, 전기분해의 법칙, 전류의 자기작용(磁氣作用) 등이 그것이다. 이와 같은 여러 가지 발견은 산업혁명 후의 시장 확대에 수반되는 신속 정확한 통신에의 요망이나, 팽창하는 도시의 조명(照明) 문제 등과 같은 배경 하에서, 기술과 결부되어 수많은 전기기기 발명의 모체가 되었다. 또 영국의 물리학자 J.톰슨이 발견한 이른바 ‘전자(電子)의 존재’는 원자물리학의 발전에 의한 물질 구조의 규명과 연결되어, ‘전자공학(electronics)’이라고 하는 전자의 응용분야 즉, 진공관이나 트랜지스터를 이용하는 길을 개척하기에 이르렀다. 또 현대물리학에서 전기라는 것은 물질을 구성하고 있는 소립자(素粒子)의 속성이라 할 수 있다. ll. 정전기 종류가 서로 다른 물질을 마찰하면 가벼운 것을 끌어당기게 된다. 이와 같이 주위 물질에 전기적 힘을 미치게 하는 물체를 대전체라 하고, 이들 물체에 전하가 존재한다고 한다. 대전체에 발생한 전하를 검전기(檢電器) 등으로 검사해 보면 전하에는 두 종류가 있다는 것을 알 수 있다. 이것을 양전하와 음전하라고 한다. 그런데 전하는 아무것도 없는 데서 발생하는 것은 아니다. 대전이란 원래 양음의 전하가 같은 양씩 존재하며, 서로 상대방의 작용을 상쇄시키고 있는 상태에서 두 종류의 전하로 분리되는 현상이다. 따라서 예를 들면 A와 B와의 마찰에 의해 A가 전하를 띠면, B에는 A가 띤 전하와 양은 같고 종류가 다른 전하가 나타난다. 물체에 발생한 전하는 그 물체가 전기를 통하게 하지 않는 절연체이면 그 분포상태를 바꾸지 않지만, 도체일 경우에는 이동하여 새로운 분포상태로 바뀐다. 이와 같은 상태 가운데서 전하의 분포가 변화없이 보존되어 있는 상태를 정전기라 하는데, 그것에 의해 일어나는 현상에는 다음과 같은 특징이 있다. 이에 대해 전하의 이동을 전류라 하며, 이 경우에는 정전기 현상에서는 볼 수 없는 작용이 나타난다. ① 2개의 정전하(靜電荷) 사이에는 그 전하가 동종일 경우에는 상호반발력이 작용하고, 이종(異種)일 경우에는 상호인력이 작용한다. 그 크기는 두 전하량의 곱에 비례하고, 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다. 이것을 쿨롱의 법칙이라고 한다. 전하량(전기량)은 이 힘의 크기를 기준으로 하여 결정할 수 있다. ② 정전하 사이의 전기력은 전하 주위의 공간에 어떤 종류의 성질이 주어지고, 거기에 있는 다른 전하에 힘을 미치는 것으로도 생각된다. 이와 같은 정전하 주위의 전기력이 작용하는 공간을 전기장이라 한다. ③ 대전체 가까이에 물체를 놓으면 그 대전체 가까운 쪽에는 이와 반대되는 전하가 나타나고, 먼 쪽에는 같은 종류의 전하가 나타난다. 이 현상이 정전기유도인데, 물체가 비교적 가벼울 때는 전기력에 의해 대전체에 끌어당겨진다. 또 물체가 도체일 경우에는 유도된 한쪽 전하를 접지(接地)함으로써 흘려 버리고 다른 쪽 전하를 도체 속에 축적할 수 있다. 전기쟁반이나 기전기(起電機) 등은 이 현상을 이용한 것이다. ④ 수주(水柱)의 높이가 수압을 결정하는 것과 같이, 대전체나 전기장에는 전위(電位)라는 것을 생각할 수 있다. 즉 전기장 안의 A에서 B로 양전하가 이동할 때는 일을 얻을 수 있고, 반대로 B에서 A로 양전하를 이동시키기 위해 외부로부터 일을 주지 않으면 안 될 때에는, A가 B보다 전위가 높다. 이것을 A,B 사이의 전위차(전압)라 한다. 물이 낮은 곳으로 흐르듯이 전위차가 있는 대전체를 도체로 연결하면 ＋전하는 전위가 낮은 곳으로 흐른다. 전위차의 실용단위는 볼트(V)이다. 1V란 1C(쿨롱)의 전하가 이동할 때의 일이 1J(줄)인 두 점 사이의 전위차를 말한다. 따라서 q C의 전하가 V V의 전위를 가지는 장소에 있을 때는 0 V(지구의 전위)의 장소에 있을 때보다 qV J만큼 많은 에너지를 축적하고 있는 것이다. ⑤ 절연된 도체(예를 들면, 축전기의 극판 등)에 전하를 주었을 때 전위를 단위만큼 높이는 데 소요되는 전기량을 그 도체의 전기용량이라 한다. 그 값은 도체의 종류 ·형태 ·크기 등에 따라 결정되는 상수(常數)인데, 거꾸로 말하면 이 값이 클수록 전위를 높이지 않아도 많은 전하를 축적할 수 있다는 것이 된다. 실용단위는 패럿(기호:F)인데, 1C의 전하에 의해 전위가 1V 높아지는 경우의 전기용량을 1F으로 한다. lll. 전류 대전체를 도선으로 연결하면 순간적으로 전하가 이동되어 전위차가 없어진다. 그러나 전원에 의해 끊임없이 전하가 보충되어 전위차가 일정하게 유지되어 있으면 세기가 변하지 않는 계속적인 전류가 흐른다. 이와 같은 전류를 정상전류(定常電流)라 하며, 양전하가 흐르는 방향을 전류의 방향으로 한다. 전류의 세기는 단위시간에 이동하는 전하량에 의해 측정된다. 실용단위는 암페어(A)이다. 이것은 도선의 단면을 1s 동안에 통과하는 전하가 1C일 때의 전류의 세기를 1A로 한 것이다. 따라서 C A의 전류가 ts 동안 흐르면 Ct C의 전하가 이동하는 것이 된다. 도선을 흐르는 전류의 세기 I는 도선의 양쪽 끝의 전위차 V에 비례한다. 즉, V＝IR가 된다. 이 관계가 옴의 법칙이다. 이 때의 비례상수 R는 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타내는 것이므로 전기저항이라고 하며, 그 값은 도체의 재료나 형태, 크기 등에 의해 결정된다. 1V의 전위차로 1A의 전류가 흐르는 전기저항을 1Ω이라고 하여 전기저항의 실용단위로 한다. 전하가 축적하고 있는 전기에너지는 전류로서 흐를 때만 외부에 방출된다. 즉 전위차 V V 사이를 C A의 전류가 흐르면 1s마다 CV J의 에너지가 발생한다. 이 ‘전위차×전류’로 주어지는 전류에 의한 일률을 단위 와트(W)로 표시하는데, 어느 시간 내에 발생하는 전기에너지는 이 와트수에 전류가 흐른 시간을 곱한 것이 된다. 보통 전력량(電力量)의 단위로 사용되는 킬로와트시(kWh)는 1kW의 전력을 1시간 사용하여 얻을 수 있는 에너지를 단위로 한 것으로 3.6×106 J에 해당한다. lV. 전류의 작용 전류의 작용은 다음과 같은 현상이 특징이다. ① 전류가 흐르면 도선에 열(줄열)이 발생한다. 이것은 전기에너지가 열로 바뀌는 현상인데, 발열(發熱) 이외에 전력이 소비되는 경우(예컨대 전동기의 경우)를 제외하면 발열량 Q는 전류 IA의 제곱과 전기저항 RΩ 및 전류가 흐른 시간 ts에 비례한다. 이것을 식으로 표시하면 Q=0.24I2 Rt cal=0.24VIt cal 로 된다. 따라서 전류가 일정하면 전기저항이 클수록 발열량은 많아지는데, 예를 들면 여러 가지 전기저항을 가진 도선을 직렬로 연결한 회로에서는 전기저항이 가장 큰 부위가 가장 높은 온도로 된다. 따라서 전열기 등에는 저항값과 녹는점이 높아 쉽게 산화되지 않는 니크롬선이 사용된다. 또 금속과 금속의 접촉부는 특히 저항(접촉저항)이 커지기 때문에 여기에 대전류를 흘리면 접촉부가 녹는다. 이 현상은 전기용접에 이용된다. ② 전류 주위에는 자기장이 발생한다. 즉 곧은 도선에 전류를 흐르게 하면 도선에 수직인 면 안에 세기는 도선으로부터의 거리에 반비례하고 방향은 전류 방향에 오른나사를 돌릴 때의 회전 방향으로 향하는 자기장이 나타난다. 이것을 앙페르의 법칙이라고 한다. 또 도선을 원통형으로 감은 코일의 경우는 코일이 자석과 동등한 것이 되는데, 특히 철심을 넣으면 자기장의 세기가 커진다. 이 경우 자기장의 세기는 전류의 세기와 코일의 형상이나 길이, 감은수 및 철심의 자기 투과율 등에 의해 정해지며, 자기장의 방향은 전류의 방향으로 회전하는 오른나사의 진행 방향과 일치한다. 이 형식은 전자석이나 변압기 등에 사용된다. 전류의 자기작용은 전하의 운동에 의해 자기장이 발생되는 현상이지만, 이와 반대로 자기장이 변화하면 그 속에 놓인 도선으로 전류를 흐르게 하려는 기전력이 나타난다. 도선의 회로가 닫혀 있으면 전류가 흐른다. 이 현상이 전자기유도이며, 발전기나 변압기 등의 원리이다. ③ 자기장 속에 놓은 도선에 전류를 흐르게 하면 이 도선에는 힘이 작용한다. 이 힘은 전류와 자기장의 방향이 평행일 때에는 나타나지 않고, 직교(直交)하고 있을 때 자기장의 세기와 자기장 안에 있는 부분의 도선의 길이 및 전류의 세기의 곱에 비례하는 크기를 가지며 플레밍의 왼손법칙에 의해 정해지는 방향으로 작용한다. 즉 왼손의 가운뎃손가락을 전류 방향으로, 집게손가락을 자기장 방향으로 향하게 하고 엄지손가락을 이와 직각으로 벌리면, 엄지손가락 방향이 힘의 방향을 가리킨다. 이 자기장이 전류에 미치는 힘은 전기에너지를 역학적 일로 변환시키는 전동기 등에 이용된다. ④ 전류는 어떤 종류의 용액을 통과할 때 화학작용을 일으킨다. 예를 들면, 식염수에 전류를 통하게 하면, 음극에서 수소가 발생하고 양극에서 염소가 발생한다. 이것은 염화나트륨이 전류에 의해 분해되어서 생기는 것으로 이와 같은 현상을 전기분해, 전류의 작용에 의해 분해되는 물질을 전해질이라 한다. 전기분해에 의해 전극에 석출되는 물질의 양은 전해질을 통과한 전하의 전기량에 비례한다. 또 전하 1C의 통과에 의해 용액에서 석출되는 물질의 질량은 물질의 종류에 따라 정해지므로 이것을 그 물질의 전기화학당량(電氣化學當量)이라 한다. 전류의 이 작용은 수산화나트륨의 제조를 비롯하여 구리 ·알루미늄 등의 제조와 전기도금 등에 이용된다. 출전 : [두산세계대백과 엔싸이버] |
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