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유리 |
양모 |
견직물 |
나무 |
종이 |
납 |
황 |
금속 |
왼쪽에 있는 물체는 마찰했을 때 양(+)전기를 가지며 오른쪽에 있는 물체는 음(-)전기를 가지게 된다. 예를 들면 유리와 양모를 서로 마찰시키면 유리가 양전기를 띠게 되고 양모는 음전기를 띠게 된다. 한편 양모와 견직물을 문지르면 양모가 양전기를 견직물은 음전기를 가지게 된다. 위의 표는 여러 실험결과를 나타낸 것이다. 금속은 음전기를 가지는 경향이 가징 크며 유리는 양전기를 가지는 경향이 가장 크다.
전기에 대한 본격적인 연구는 르네상스 시대 이후에 시작되었다. 16세기 말 영국의 W. 길버트 (1540~1603)에 의하여 자석에 대한 연구로 호박이 지니는 인력 (전기력)과 자석의 인력 (자기력)과의 차이가 처음으로 명확히 밝혀졌다. 1720년부터 1730년에 걸쳐 영국의 물리학자 S. 그레이 (1670 ?~1736)는 극히 간단한 장치를 사용하여 실험하여 물체에는 전기를 통하는 도체와 전하지 않는 절연체로 구분하였다. 또한 그는 사람도 전기를 통할 수 있다는 것을 발견했으며 금속막대와 전기를 띤 유리막대를 가까이 접근시켜 폭음과 함께 불꽃이 생기는 것을 발견하였다. 즉 불꽃방전을 발견한 것이다. 프랑스의 젊은 보병장교였던 뒤페 (Charles- François de Cisternai Dufay, 1698~1739)는 1733년 금속을 제외한 거의 모든 물질을 비벼서 전기를 발생시키는 데 성공했다. 이러한 일련의 실험에서 그는 전기가 수지성(resinous)과 유리질(vitreous)이라는 두 가지 종류가 있으며 수지성 전기와 유리질 전기는 서로 끌어당기고 같은 종류의 전기들은 서로 밀친다고 주장하였다. 수지성 전기는 음전기이고 유리질 전기는 양전기이다.
1740년경까지는 과학자들이 필요할 때마다 유리막대를 손으로 문질러서 전기를 얻어 실험하였다. 비록 그전에 기전기가 만들어졌지만 전기가 보존이 잘 안 돼서 인지 좀처럼 보급되지 않았다. 드디어 네덜란드 라이덴 대학의 뮈센브뢰크 (Pieter van Musschenbrock, 1692~1761)에 의해 1746년에, 만들어진 전하가 상실되지 않게 물로 완전히 차단시킨 라이덴 병이 발명되어 과학에 큰 공헌을 하였다. 1752년 미국의 B. 프랭클린 (1706~1790)이 연을 이용한 실험을 통해 번개의 전기적 성질을 증명한 후로 이듬해부터 곳곳에 피뢰침이 세워져 번개의 위험이 크게 방지되었다. 프랑스의 토목공학자 쿨롱 (Charles Augustin de Coulomb, 1736~1806)은 1785년에 전하를 띤 두 물체 사이에 작용하는 전기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견하였다.
그 후 이탈리아의 물리학자 A. G. A. A. 볼타 (1745~1827)에 의해 전지가 발명되어 전류를 연속적으로 꺼낼 수 있게 되었고 이때부터 동전기가 등장하여 사용되었다. 이때부터 정전기와 동전기 전기로 부르게 되었다. 영국의 물리학자 H. 데이비 (1778~1829)는 전기를 양전하와 음전하로 정의하였고 그의 제자, M. 패러데이 (1791~1867)는 전류를 양전하가 양극에서 음극으로 이동하는 현상이라고 정의하였다. 1897년에 영국의 물리학자 J. J. 톰슨은 전자의 존재를 발견하여 전자가 이동하로 전기가 발생한다는 사실이 밝혀졌다.
또한 H. 데이비와 M. 패러데이는 전기화학을 시작하여 많은 업적을 남겼다. 데이비는 전기분해를 하여 알칼리 금속과 알칼리토금속들을 분리하였다. 그가 분해한 금속은 포타슘 (칼륨, K), 소듐 (나트륨, Na), 칼슘 (Ca), 바륨 (Ba), 스트론튬 (Sr) 및 마그네슘 (Mg)이다. M. 패러데이 역시 전기화학을 연구하여 전기분해 법칙을 만들었다. 그가 만든 법칙은 다음과 같다.
1. 전해질 수용액을 전기로 분해하였을 때 전극에 석출하는 물질의 양은 통과한 전기량에 비례한다.
2. 전기량을 일정하게 유지하면 전해질 수용액에서 전극에 석출하는 물질의 양은 이 물질의 화학당량에 비례한다.
3. 화학당량 : 임의의 물질이 1C또는 1Ah의 전기량에 의해서 방전 또는 석 출되는 이론적인 양. g/C, g/Ah, g/F의 단위를 쓴다. 이온이 한 원소를 포함하는 경우의 당량은 원자량을 원자가로 나눈 값이며 여러 원소로 이루어져 있으면 식량을 이온의 전하로 나눈 값이다. 예를 들면 염소음이온 (Cl-)의 당량은 35.5 (원자량)를 1 (원자가)로 나눈 값 즉 35,5이며 황산이온 (SO42-)의 경우에는 96 (식량)을 2 (전하)로 나누어 얻어지는 48이 당량이다.
여기에서 C는 쿨롱 (전류량)이며 A는 1시간에 흐르는 전류량 즉 C/h이다. F는 패러데이 상수이며 96480C/mol으로 표시된다.
전자, 정공 (홀, hole) 또는 양전하 및 음전하가 이동하면 전기가 흐른다. 이 때 전하의 흐름을 전류라고 하며 주어진 시간 Δt 동안에 임의의 면을 지나가는 전하량을 Δq라고 하면 전류 I는 다음 식으로 주어진다.
I = Δq/Δt
직류는 흐르는 방향이 일정한 전류이며 방향이 주기적으로 바뀌면 교류라고 한다. 사람을 포함한 동식물에 전해질이 포함되어 있으므로 전기가 체내로 통과할 수 있으므로 전기에 의해 해를 입지만 흔히 볼 수 있듯이 새들은 전깃줄에 앉아 있어도 안전한 이유는 한 줄에만 앉아있기 때문에 전기가 흐르지 않는다.
전류가 흐를 때 물질 양쪽 끝의 전위차가 크면 전하를 미는 힘이 커진다. 이 경우 전위차를 전압 V이라고 하며 전압이 커질수록 전류가 많이 흐른다. 즉 전류 I는 전압 V에 비례한다. 전기가 흐를 때 입자 등에 의해 방해받는데 방해받는 정도를 저항 R이라고 한다. 저항 R은 양쪽 끝의 전압 V와 물질을 흐르는 전류 I의 비로 정의된다.
R = V/I
금속을 비롯한 많은 물질의 저항은 상당히 넓은 전압의 범위에서 일정하다는 사실이 독일의 물리학자 G. S. 옴 (1789~1845)에 의해 발견되었으며 그의 이름을 따서 R = V/I 관계식을 옴의 법칙이라고 부른다.
전기 저항이 상당히 작아서 10-3에서 10-7m/S이면 도체이고 103에서 10-4m/S이면 반도체라고 한다. 저항이 103m/S보다 큰 물질이 절연체이며 전기가 거의 흐르지 않는다. 도체는 전기를 잘 통하므로 전선에 사용된다. 구리, 알루미늄, 은, 금 등의 금속은 우수한 도체이다. 고무, 플라스틱, 나무 등은 전기를 통하지 않는 절연체이므로 전선을 피복하여 전기가 전선
밖으로 나가지 못하게 막는다.
주어진 시간 Δt 동안에 흐르는 전하량이 Δq이고 전압이 V일 때의 에너지는 전하량과 전압의 곱 즉, (Δq)V로 주어진다. 에너지를 단위시간으로 나눈 양을 전력 P라고 하며 P = (Δq)V/Δt = VI가 된다.
전기를 실용적으로 사용하려면 전기를 대량으로 만들어야한다. 즉 발전하는 문제는 영국의 전기공학자인 J. A. 플레밍 (1849~1945)에 의해 해결되었다. 그는 오른손법칙과 왼손법칙을 고안하였는데 오른손법칙은 자기장에서 도선이 가속도 운동을 할 때 만들어지는 전자유도에 의해서 생기는 전류의 방향을 나타내고 왼손법칙은 자기장이 전류에 미치는 힘의 방향을 표시한다. 전기장, 자기장, 힘은 서로 수직이다. 이 세 방향과 세기는 벡터로 표현될 수 있다.
발전하기 위해서는 자성이 강한 영구자석이나 전자석에 도선을 넣고 도선을 빠르게 회전시켜 전기를 발생시킨다. 이 때 생기는 전류는 직류이다. 도선을 회전시키는 에너지의 종류에 따라 화력발전, 원자력발전, 수력발전, 풍력발전 등으로 나눌 수 있다. 실수요자 즉 가정이나 공장, 사무실, 공공건물 등에서 전기를 이용하려면 발전소에서 먼 거리를 발전하게 되도록 이면 손실이 적게 송발전야 한다. 송발선의 전압을 높이면 전류의 세기를 낮게 유지할 수 있으므로 송전이 가능하고 또 전류의 세기가 낮으면 전선이 가늘어도 무방하므로 발전소에서는 고압의 전기를 송발한다. 이 전기는 가정에 보내지기 전에 전압이 낮아져야 하므로 이 작업을 할 수 있는 설비와 장소 즉 변전소가 필요하며 전압의 변화에는 직류보다 교류가 용이하므로 고압의 교류 전류가 송발발전,도시 근처에서 전압을 낮게 하여 가정이나 공장으로 보낸다.
지금 우리 주위에는 온통 전기제품이다. 전등, 형광등을 위시하여 텔레비전, 냉장고, 세탁기 등의 가전제품, 전화, 컴퓨터도 사용되고 있다. 출퇴근 시 이용하는 지하철도 있군. 우리는 지금 전기가 없는 생활을 상상할 수 없게 되었다. 이렇게 많은 전기제품 중에서 몇 개만 좀 더 자세히 알아보기로 하자.