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작성자 이창호
작성일 2003-04-27 (일) 06:03
분 류 사전3
ㆍ조회: 1444      
[근대] 전기 (한메)
전기 電氣 electricity

자연현상의 하나로, 자연계에 존재하는 양·음의 부호를 가진 2종류의 전하가 나타내는 여러 가지 성질.

전하를 전기라고도 하고 양전하·음전하를 양전기·음전기라고도 한다. 미시적으로 전하는 물질을 구성하는 미립자가 띠고 있는 성질인데 원자핵은 양전하, 전자는 음전하를 띠고 있다. 전자가 띠고 있는 전하는 ~이며 ~는 자연계의 기본상수이며 전기소량이라고 한다. 원자핵이 띠고 있는 전하는 ~이며 ~는 원자번호이다.

고립된 원자는 전기적으로 중성이지만, 물질 속에서 원자 또는 원자단(原子團;基)은 이온으로 되어 있는 경우가 많고 이온은 양 또는 음의 전하를 지니고 있다. 정지하고 있는 전하가 나타내는 성질을 정전기라 하며 이것은 전기학의 기초를 이루는 것이지만, 현재 실용적인 면에서 활용하고 있는 전기현상의 대부분은 전하의 동적 성질이다. 전기에 관한 중요한 사항을 전기의 실용적인 면에서 설명하면 다음과 같다.

[정전기]

2개의 물체를 마찰시키면 한 쪽은 양으로, 다른 쪽은 음으로 대전하고 이러한 전하는 발생한 위치에 정지해 있다. 이 밖에 여러 가지 원인으로 정전기가 발생한다. 이와 같이 정전기 사이에는 쿨롱의 법칙에서 주어지는 힘(쿨롱의 힘)이 작용한다.

이 힘은 같은 부호의 전하 사이에서는 척력이 되고 다른 부호의 전하 사이에서는 인력이 된다. 이 힘에 직결되어 전하가 존재하는 공간에 전기장(벡터)·전위(스칼라)가 존재하며 이들은 중력장에서의 중력, 퍼텐셜에너지에 각각 대응한다. 정전기는 일상생활에서 건기에 옷이 들러 붙는 불편도 주지만 전자사진·전기집진·정전기도장·정전기선별 등의 기술을 가능하게 하기도 한다.

[도체와 절연체]

전하가 이동할 수 있는 물체는 도체이고 이동할 수 없는 물체는 절연체이다. 도체 내의 두 점 사이에 전위차(전압)가 존재하면 전하는 거시적 거리를 이동하여 전류를 만든다. 전압을 ~라 하면 전류 ~는 ~와 같이 ~에 비례한다. 이것이 옴의 법칙이며, ~는 두 점 사이의(전기)저항이다.

~의 단위는 각각 볼트·암페어·옴이며, ~는 ~가 시간에 관계없이 일정하거나(직류), 사인함수적으로 변화하거나(교류) 불변이다. 한편 절연체는 직류전압에 대해서는 전류가 흐르지 않고 교류전압에 대해서는 흐른다. 이것은 절연체가 전하를 저장하는 능력을 가지고 있으며 그 저장가능한 전하의 양이 교류전압에 의해 사인함수적으로 변화하기 때문이다. 이처럼 절연체는 전기회로에서 절연과·축전의 2가지 목적으로 사용되며 축전하는 소자는 축전기(콘덴서)이다. 축전기 재료로서 주로 사용되는 절연체를 유전체(誘電體)라 한다.

[전류의 이용]

저항 ~에 전류 ~가 흐를 때 발생하는 단위시간당 열 ~는 ~으로 주어진다. 이것을 줄열이라 하며 ~의 단위는 보통 와트이다. 줄열의 이용은 전기 응용의 대표적인 것으로, 가정용 전열기에서 대형공업용 전기로까지 광범위하게 이용되고 있다. 줄열은 전류가 직류이든 교류이든 관계없지만 유전체·자성체에서는 전류가 교류인 때에만 존재하는 발열이 있는데 이것을 이용하는 것이 유전가열·유도가열이다.

전류에 의한 발열은 조명에서 중요하며 백열전구가 그 예이다. 또 전하의 흐름은 이 전하를 띤 미립자의 흐름이므로 전류에 따라 여러 가지 화학변화가 일어날 수 있는데, 이것을 연구하는 분야가 전기화학이고 전지·전기분해·전해가공 등의 기술이 여기에서 파생된다.

한편 도체와 절연체의 중간에 위치하는 반도체는 전류 ~와 전압 ~사이에 현저한 비직선성 등 많은 특성이 존재하며, 반도체를 사용한 트랜지스터의 등장을 시작으로 해서 오늘날 급속히 발전하고 있는 컴퓨터시대가 열렸다. 초전도체는 어떤 임계점 이하의 온도에서 저항이 0이 되며, 초전도체의 성질은 전력저장에의 이용 등에 기대된다.

[방전]

정전하의 전위가 어떤 한계값 이상 높아지면 공간의 전기저항이 무한대일지라도 정전하는 갑자기 움직이기 시작한다. 이것이 방전이다. 방전은 건기에 옷이나 손잡이에서의 방전, 벼락의 피해가 있으나 네온판·형광등 등의 조명기구, 아크로 등의 가열·가공장치 등으로 쓰이기도 한다.

[자기(磁氣)]

〔그림 1〕에 표시된 것처럼 전류 ~가 흐르면 그 주위에 자기장 ~가 발생한다. 이 현상은 비오―사바르의 법칙에 따른다. 자기장은 전기에서의 전기장에 해당하는 자기적 양이며, 일반적으로 전기와 자기는 현상면에서 병행적인 경우가 많다. 자기는 자성이라고도 하며 그 가운데 강자성은 실용적 가치가 크다.

[로렌츠힘]

〔그림 2―(a)〕에 표시된 것처럼, 자기장 ~에 수직으로 전류 ~가 흐를 때, 자기장과 전류에 그림에서 표시한 방향처럼 수직으로 힘 ~가 작용한다. 이 관계를 플레밍의 왼손법칙이라 하고 ~는 로렌츠힘이라 한다. 이 법칙은 전기에너지를 역학적에너지로 바꾸는 기계, 즉 전동기(모터) 동작의 기초를 이룬다. 전동기는 전기면도기용부터 공장의 크레인용·전기기관차용까지 다양하다.

[전자기유도]

〔그림 2―(b)〕에 표시된 것처럼 자기장 ?에 수직(그림의 ?방향)으로 존재하는 도선이, 그림에 표시한 방향처럼 두 방향에 수직으로 힘 ?를 받아 ?와 평행으로 이동할 때, 도선에 따라 전압이 ?방향으로 발생한다. 이 관계를 플레밍의 오른손법칙이라 하며 이 전압을 유도전압이라 한다. 이와 같은 유도전압은 도선을 이용하지 않고 자기장을 변화시켜도 발생한다.

이런 현상을 전자기유도라 하며 역학적에너지를 전기에너지로 바꾸는 기계, 즉 발전기는 이것을 이용한 것이다. 또한 저항 ?, 축전기 ?와 함께 전기회로의 3요소의 하나인 인덕턴스 ?은 전자기유도에 의해 회로의전류 ?의 변화 속도에 비례하는 전압 ?를 회로에 발생시킨다. 〔그림 3〕은 ?, ?, ?이 직렬로 연결된 회로를 가리킨다.

[전자기파]

전자기현상은 주파수가 MHz 정도이상이 되면 파동적이 된다. 이것이 전자기파이며 현재의 텔레비전·라디오·무선통신의 주역을 이룬다. 보통의 빛도 파장 10??∼10??m의 전자기 파이다.

[전기인식의 역사]

호박을 문지르면 가벼운 물체를 끌어당기는데 그것은 그리스시대부터 알려진 물질의 고유한 성질로 신비롭게 생각되었다. 호박이 나타내는 전기적 인력이 과학의 대상이 된 것은 17세기 이후이며 영국의 의사 W.길버트가 자석에 대한 체계적인 연구로 자석의 인력과 호박이 지니는 인력의 차이를 처음으로 명확히 밝혔다.

또한 다이아몬드·유리·수지(樹脂)·보석 등도 문지르면 가벼운 물체를 끌어당기는 것을 발견하고 1600년 《자석에 대하여》의 제2부에서 이런 성질을 <일렉트리케>라 이름붙었다. 호박은 그리스어로 <당기는 것>, 즉 <일렉트론>의 뜻이었다. 이것을 오늘날과 같은 영어식인 일렉트리시티로 한 것은 T.브라운이다.

<정전기학>

1672년 O.게리케는 기계적으로 회전시킨 황(黃)구슬에 손바닥을 대고 마찰전기를 일으키는 장치를 만들었다. 1709년 좀더 대전되기 쉬운 유리구슬을 사용한 기전기(起電機)가 영국의 F.호크스비에 의해 만들어졌고 뒤 개량되었다. 게리케에 의해 처음으로 전기적 척력이 알려졌으며 전기가 빛·소리·열 등을 발생한다는 것, 전도성을 가지고 있다는 것 등이 인식되었다.

1745년 독일의 E.클라이스트와 네덜란드의 P.뮈센브루크에 의해 전기를 저장하는 장치(축전기)가 만들어져 전기를 일으켜 저장하는 것이 가능해졌다. 이것을 라이덴병(Leyden jar)이라 하고 이로써 얻어지는 일순간의 방전은 살롱이나 왕궁에서 구경거리로 인기를 끌었다. 축전이 됨으로써 전기는 불가사의한 대상에서 실체가 있는 것으로 인식되었다. 그러나 그것은 저울로는 달 수 없는 유체로 생각되었다.

1733년 C.뒤페는 전기가 2종류라는 것을 발견하여 유리전기·수지전기라 하고 2유체설을 제창하였다. 또 연의 실험으로 알려진 B.프랭클린은 1종류의 과부족으로 인해 2종류의 전기가 생긴다는 1유체설을 제창하였다. 또한 길버트는 전기인력을 설명하기 위해 저울로 잴 수 없는 전기소(電氣素)를 생각하고 있었다.

측정할 수 없는 유체로 연소에 대한 플로지스톤, 빛의 매질인 에테르, 열의 칼로리가 상정되어 19세기까지 지지를 받았다. 측정할 수 없다고 하지만 그 인력과 척력은 C.A.쿨롱에 의해 측정되어, 1785년 역제곱의 법칙으로 알려진 <쿨롱의 법칙>이 정식화되었다.

나침반의 개량으로 비틀림저울을 고안하고 있던 그는 전기적인 힘을 강선(鋼線)의 비틀림에 의한 진동이라는 역학적인 에너지로 전환함으로써 정밀측정을 하였다. 전기가 구경거리였던 정전기시대에 쿨통의 실험으로 기전기·축전기·검전기·절연재료 등의 장치와 지식이 집적되었다는 것은 주목할 만하다.

<동전기학>

개구리의 다리에 미치는 전기작용을 조사하던 L.갈바니는, 전기쇼크에 의한 근육의 수축운동을 연구하던 중에 2종의 다른 금속이 개구리의 신경에 닿으면 전기쇼크와 마찬가지인 수축이 나타나는 것을 발견하고 91년 동물전기를 제창하였다. 그는 2종의 금속이 도선으로 작용한다고 생각하였다. A.볼타는 이것을 비판하고 이종(異種) 금속의 접촉에 의해 전류가 생긴다고 주장하여 동전기학으로의 제1보를 내디뎠다.

2종 금속의 접촉을 다양하게 조사한 그는 96년 금속의 이온화서열을 발표하였고 1800년 식염수를 흡수시킨 천을 끼운 구리판과 아연판을 포개어 쌓은 볼타전기더미, 묽은황산에 아연판과 구리판을 넣은 전지를 개발하였다. 이러한 장치에 의한 전류를 갈바니전기라 한다.

볼타의 전지가 보고되자, 영국의 A.칼라일과 W.니컬슨이 물의 전기분해를 실시하였고, H.데이비는 여러 물질의 분해에 이것을 응용하여 나트륨·칼륨의 단리(單離)에 성공하였다. 데이비가 수백 개의 금속판으로 조립한 전지의 전류는 알칼리를 융해할수록 큰 열을 내고 또 회로의 중간 부분에서는 눈부신 빛을 내는 전류의 빛과 열의 작용도 알려졌다.

<전자기학>

1820년 H.C.에르스텟은 전기가 흐르는 철사 근처에 놓은 자침이 흔들리는 것을 발견하였고, 같은 해에 T.제벡은 쇳가루를 써서 도선 주위에 자기력선을 나타냈으며 A.M.앙페르는 자침이 흔들리는 방향이 오른나사의 법칙에 따른다는 것을 발표하였다. 자침에 미치는 전류의 힘은 J.비오와 F.사바르에 의해 정식화되었다.

또 앙페르는 도선이 자유로이 움직이는 장치를 조립하여 평행으로 도선을 놓을 때 전류의 방향이 같으면 인력이, 반대방향이면 척력이 그 사이에 작용하는 것을 발견하였으며, 전류가 흐르는 코일과 자석의 동등성을 표시하고 평행도선 사이에 작용하는 앙페르의 법칙을 정식화하였다.

쿨롱·앙페르의 법칙은 모두 역제곱의 법칙으로 뉴턴역학과 일치하며 이로부터 전자기현상을 역학적으로, 원격작용으로서 다루는 전기역학의 기초가 확립되었다. 전류가 자기를 일으킨다는 것이 알려지자 자기에서 전류를 일으키고자 하는 노력이 전개되었다. 이것은 1831년 M.패러데이의 전자기유도의 발견으로 결실을 보았는데, 전류의 변화 또는 자석의 운동이 전류를 발생시키는 것을 실험적으로 확인하였기 때문이다.

이 자기의 변화로 생기는 전류를 자기전기라고 하였다. 여기에 이전에 발견된 갈바니전기·마찰전기·동물전기·공중전기(번개)와 함께 1821년에는 제벡이 열전기까지 발견하였다. 패러데이는 이러한 전기가 동일한 것인가의 여부를 생리학적 작용, 자침의 흔들림, 불꽃의 발생, 전기화학적 작용의 실험으로 확인하고 <전기란 어떤 근원에서 생긴 것일지라도 그 본성은 동일하다>라는 결론에 이르렀다.

1833년 전기화학당량을 측정하고 전기분해의 메커니즘 연구로부터 전기의 작용은 물질을 통해서 전달된다고 생각하고 자기력선·전기력선을 도입해서 전자기현상을 근접작용론의 입장에서 설명하는 기초를 쌓았다.

한편 갈바니회로의 세기를 연구하던 G.S.옴은 1827년 《갈바니전류의 수학적 연구》에서 저항·기전력·전류를 구별하고 상호관계를 명확히 한 옴의 법칙을 정식화하였다. 옴의 작업은 1840년 이래 영국을 선두로 전신망의 건설이 진행됨에 따라 그 중요성이 인식되었다. 이것을 1849년에 다시 복잡한 회로에 적용할 수 있도록 확장시킨 사람이 G.키르히호프이다.

한편 코일과 전자석이 제작되었고, 모터와 발전기 원형이 등장하였다. 또 무선통신·전기조명·전기도금 등 전기기술의 발달 속에서 전기공학 분야가 형성되었다. 이런 가운데 J.C.맥스웰은 전자기에 관한 상호작용을 일관된 이론체계로 종합하였다. 1873년 《전자기학》에서 맥스웰방정식을 제시, 그 이론적 귀결로서, 전기장·자기장은 짝을 지어 공간에 전파하므로 빛은 이 전가기파의 하나라고 예언하였다.

전자기파의 존재는 1888년 H.헤르츠에 의해 실험적으로 확인되어 맥스웰의 이론이 실증되었다. 또 앙페르에서 시작된 전기역학은 W.베버 등에게 계승되어 로렌츠의 전자론을 낳기에 이르렀다. 이것은 20세기초 상대론이나 양자론 등장에 기초가 되어 고전전자기학으로서 그 적용범위가 명확하게 되었다.

<김준>

출전 : [한메파스칼대백과사전]
   
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