흐르는 전기 전류에 대해서 알아보자

[관운]

전자들의 흐름, 전류

물의 높이가 다른 두 물통을 연결하면 높은 물통에 있는 물이 낮은 물통으로 흐른다. 이 때 물을 흐르게 하는 에너지원은 두 물통의 수압차이다. 두 물통의 수압차가 클수록 물의 흐름은 빨라지고, 수압차가 작을수록 물의 흐름은 느려진다. 또 물의 높이가 같아지면 물은 더 이상 흐르지 않게 된다. 물을 계속 흐르게 하려면 펌프를 이용하여 수압차를 계속 유지시켜 주어야 한다.

전기 회로에서 전자가 도선을 따라 흐르기 위해서도 에너지원이 필요하다. 그 역할을 하는 것이 전지이다. 전지에서 (+)극은 전위가 높고, (-)극은 전위1)가 낮다. 두 극 사이의 전위 차이를 '전위차' 또는 '전압'이라고 한다. 전압의 기호는 V이고, 단위는 볼트(V)를 사용한다.

전류의 방향

전류의 방향전자의 존재를 알지 못하던 때에 과학자들은 전류의 방향을 전지의 (+)극에서 도선을 따라 (-)극으로 흐른다고 약속하였다. 그 후 전류는 전자의 흐름으로 밝혀졌지만, 전류의 방향은 그대로 사용하기로 하여 전류의 방향과 전자의 이동 방향이 반대가 되었다.

전위차에 의해 전자들은 (-)극에서 도선을 따라 (+)극으로 이동한다. 이러한 전자들의 흐름을 '전류'라고 한다. 전류란 전하를 띤 입자들의 흐름이다. 과학자들은 전류가 흐르는 방향을 (+)극에서 (-)극으로 정하였다. 전지와 같은 화학 전지를 회로에 연결하면 전자들이 일정한 방향으로 움직인다.

이와 같이 도선 내에서 전자들이 한 방향으로 움직일 때 생기는 전류를 '직류'라고 한다. 그러나 전기 에너지를 만들기 위해 전자들이 한 방향으로만 움직일 필요는 없다. 도선 속에 있는 전자들이 움직이는 방향이 바뀌더라도 전류가 흐를 수 있다. 이와 같이 도선 내에서 전자들이 움직이는 방향이 주기적으로 바뀔 때 생기는 전류를 '교류'라고 한다. 가정에서 사용하는 전기는 교류이다. 60㎐의 교류가 흐른다는 것은 전자들이 1초에 120번씩 방향을 바꾼다는 것을 의미한다.

[네이버 지식백과] 전자들의 흐름, 전류 (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)

전류의 세기

파이프 속에 물이 흐르고 있다고 가정해 보자. 파이프 속에서 흐르는 물의 세기는 단위 시간당 파이프 끝에서 나오는 물의 양을 측정하면 된다. 마찬가지로 도선 속에서 흐르는 전류의 세기도 같은 방법으로 나타낼 수 있다. 전류의 세기1)는 회로의 어떤 지점을 1초 동안에 지나는 전자의 수로 나타낼 수 있다. 1초 동안 지나가는 전자의 수가 많으면 전류의 세기는 세고, 전자의 수가 적으면 전류의 세기는 약하다. 전류의 기호는 I이고, 단위는 암페어(A)를 사용한다. 1암페어의 전류가 흐를 때 도선의 어떤 지점을 1초 동안에 지나가는 전자의 수는 6.25×1018개이다.

[네이버 지식백과] 전류의 세기 (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)

전류의 흐름을 방해하는 저항

전지와 전구를 연결한 회로에 전류가 흐르면 불이 켜진다. 이 때 전자는 구리 도선 안에서는 쉽게 이동한다. 그러나 전자가 전구의 필라멘트에 도착하면 필라멘트의 저항이 너무 커서 쉽게 흐르지 못한다. 이 때 필라멘트에서는 전자가 가진 전기 에너지가 열에너지와 빛에너지로 바뀐다.

구리 도선과 필라멘트의 예처럼 도선의 종류에 따라 전자의 흐름을 방해하는 정도는 다르다. 이와 같이 전자의 이동을 방해하는 것을 '전기 저항' 또는 줄여서 '저항'이라고 한다. 저항의 기호는 R이고, 크기를 나타내는 단위는 옴(Ω)을 쓴다.

1Ω은 1V의 전원에 연결된 저항에 1A의 전류가 흐를 때의 저항값이다. 전자는 구리나 알루미늄 같은 도체에서는 잘 흐르다가 플라스틱·고무·나무 등과 같은 부도체 또는 절연체에서는 흐르지 않기도 한다.

도체의 종류에 따라서도 달라, 철이나 금에서보다 은이나 구리 등에서 전자가 더 잘 흐른다. 저항이 은·구리보다 철·금이 더 크기 때문이다. 또 저항은 같은 물질이라도 길이·두께·온도에 따라 달라진다. 긴 도선은 짧은 도선보다, 가는 도선은 굵은 도선보다 저항이 크다. 온도가 올라가면 물질의 저항도 커진다.

[네이버 지식백과] 전류의 흐름을 방해하는 저항 (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)

소금물에서 전기가 잘 통하는 이유

설탕과 소금은 고체 상태에서는 전류가 흐르지 않는다. 공유 결합성 물질인 설탕은 중성의 설탕 분자들이 무수히 모여 이루어진 것이기 때문에 전류가 흐르지 않는 것은 당연하다. 반면, 이온 결합성 물질인 소금은 나트륨 이온(Na+)과 염화 이온(Cl-)의 정전기적 인력에 의해 결합되어 있기 때문에 고체 상태에서도 전기를 띤 입자는 존재한다. 하지만 고체 상태에서는 이들 입자들이 강하게 결합되어 있기 때문에 도선을 연결해 주더라도 전류가 흐르지 않는다.

그러나 소금을 액체 상태로 만들면 상황은 달라진다. 액체 상태에서는 구성 입자들이 움직일 수 있기 때문에 전류가 흐른다. 설탕물은 중성의 설탕 분자만 존재할 뿐 전하를 운반시켜 줄 입자가 없기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 그러나 소금은 물에 녹았을 때 전기를 띤 입자인 양이온과 음이온으로 나뉘기 때문에 이 입자들이 수용액 속에서 전하를 운반할 수 있다.

*전해질 물에 녹았을 때 이온화되어 전기를 통하게 할 수 있는 물질. 소금과 같은 염·산·염기 등은 가장 잘 알려진 전해질이다. 순수한 물의 경우는 어떨까? 순수한 물에는 전자나 이온 등 전하를 운반할 수 있는 입자가 없기 때문에 전류가 흐르지 않는다. 그러면 물 묻은 손으로 전기 기구를 만졌을 때 왜 감전되는 걸까? 손에 묻은 물에 전기를 통하게 할 수 있는 어떤 물질이 녹아 있기 때문이다.

[네이버 지식백과] 소금물에서 전기가 잘 통하는 이유 (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)

전압ㆍ전류ㆍ저항 값의 관계

전기 회로에 흐르는 전류의 세기는 전압에 따라 달라질 뿐만 아니라 전기 저항에 따라서도 변한다. 독일의 물리학자 옴은 도선의 전기 저항을 정밀하게 계산하여 전류와 전압의 관계를 밝히는 문제에 몰두하였다. 그는 도체의 굵기나 길이를 바꿀 때 흐르는 전류의 세기를 측정하는 실험을 통해 마침내 1827년 다음과 같은 '옴의 법칙'을 발표하였다.

전류의 세기는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다.

옴의 법칙은 전기에서 양의 개념을 형성하는 데 결정적으로 기여하였을 뿐만 아니라 그 때까지 혼란스러웠던 전압·전류·전기 저항의 관계를 명확하게 밝혔으며, 전기 회로 이론을 세우는 기초가 되었다.

[네이버 지식백과] 전압·전류·저항의 관계는? (살아있는 과학 교과서, 2011.6.20, 휴머니스트)