기전력(electromotive force)의 원리와 한국과학철학
기전력(electromotive force)은
단위전하당 한 일로써, 쉽게말하면 낮은 퍼텐셜에서 높은 퍼텐셜로 단위전하(+또는-)를 이동시키는데 필요한 힘입니다. 기전력은 전류(전기에너지)를
발생시키고 지속적으로 흐르게하는 원인(원동력)으로써 전압과 같은 의미로 사용됩니다. 따라서 기전력과 전압은 둘다 단위를 볼트(V)를 사용합니다.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/2349323C58890C3C32)
<전위가 높고 낮음은 서로 상대적으로 위치에너지(퍼텐셜에너지)가 최소이면, 운동에너지는
최대>
기전력(전압,V)이 크고 전류량(A)도 많으면 전력(W)도
큰데, 전압(V)×전류(A)=전력(W)이 됩니다. 따라서
전압(V)은 음(陰,-)과 양(陽,+)의 위상차이고, 전류(A)는 이러한 위상차의 흐름(이동량)입니다.
기전력이 발생시키는 주체는 전자(또는 양전자) 입니다.
전자(-)와 양전자(양공,+)의 위상차에 의해 기전력이 발생합니다. 하지만 전자와 양전자 뿐만아니라 광자(빛)의 도움도 필요합니다.
■ 기전력에 의한 전기에너지를 발생시키는 몇가지
과정,
1. 발전기 : 패러데이의 '전자기 유도' 원리에 의해
자석의 자기에너지는 역학적인 과정을 거쳐 전기에너지로 전환됩니다. 자기장과 전기장의 순환운동의 원리는 빛(광자)의 운동 원리입니다. 특히
전자기유도에 의해 발생하는 전압을 '유도기전력'이라고 합니다. 유도기전력은 코일을 지나는 단위시간당 자속변화율과 코일의 감은 횟수에
비례합니다.
2. 건전지 : 산화와 환원의 '화학반응'을 통해
전기에너지가 발생합니다. 건전지의 + 극은 이온화 경향이 작아 전자를 잘 얻는 환원반응으로 주로 탄소(또는 이산화망간)를 사용하고, - 극은
이온화 경향이 커서 전자를 잘 잃는 산화반응으로 아연을 주로 사용합니다. 원소들도 이렇게 각각 음(-)과 양(+)의 특성을 가지는 체질로
이루어져, 이러한 특성은 음(陰)과 양(陽)의 위상차를 주어 전기에너지를 발생시킵니다.
알카라인건전지 반응식(+와 -의 1.5V 위상차) :
음극 : Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [e° = 1.28 V]
양극 : 2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [e° = +0.15 V]
전체 : Zn(s) + 2MnO2(s) ⇌ ZnO(s) + Mn2O3(s) [e° = 1.43 V]
망간건전지와 알카라인건전지는 전해액 성분의 차이가
있을뿐, 음극물질에 아연, 양극물질에 이산화망간을 사용하는 것은 같습니다.
3. 태양전지 : 태양의 '빛 에너지(광전효과)'를
통해 전기에너지를 생산합니다. p형반도체와 n형반도체가 있는데, 태양 빛을 비추면 전자(-)와 양공(+)이 각각 p형반도체와 n형반도체에 의해
분리되어 각자의 전극으로 이동하면서 이러한 음(-)과 양(+)의 위상차(기전력)로 인해 전기에너지가 발생합니다.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/256E4C3358890C5602)
4. 열전대(Thermocouple) : '온도 차'에 의해서도 기전력이
발생됩니다(이때 열기전력). 열전효과 또는 제벡효과라고도 하는데(열에너지가 전기에너지로 전환), 서로 다른 두 금속선의 양쪽 끝을 접합하여
폐회로를 구성하고, 한 접점에 열을 가하게 되면 두 접점에 온도차로 인하여 전위차가 발생하여 전류가 흐르게 됩니다.
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/271EEF3A58890C6107)
<열전대 - 크롬합금과 니켈·알루미늄합금 두 종류의
금속 A, B를 접합하고, 양 접점의 온도를 달리하면 온도차에 비례하여 열기전력이 발생(여기서 양 접점이란 Tsense와 Tmeter,
Tmeter의 전압계에서 두 금속에 다른 성질에 의해 전하의 위상차가 발생)>
<그림출처 :
Thermocouple - 위키백과>
전류가 흐르면서 열도 같이 이동하게 되는데, 만약 같은
금속을 이용하게 되면 전류는 흐르지 않지만, 톰슨효과에 의해 금속의 종류에 따라 흡열 또는 발열을 하게 됩니다.
열전(thermoelectric)효과라고 불리우는 이유도 열과 전기의 밀접한 상관관계 때문입니다.
위와 같은 방법 등으로 기전력을 일으킬 수 있습니다.
이때 발전기는 교류가 발생하고, 건전지에서는 직류가 발생합니다.
온도에 의해 음(-)과 양(+)의 위상차가 커진다는
것은, 온도에 의해 음양체질(陰陽體質)이 바뀔수 있다는 것입니다. 이것은 반물질(-)을 아주 차갑게 냉각시켜 물질(+)화 시키는 것과 다르지
않습니다(냉양자,양자트랩).
그렇다면 중력(gravity)에 의해서도 전기에너지가
발생할 수 있을까?
수력발전은 물의 퍼텐셜에너지(위치에너지)를 이용하여
전기에너지를 생산합니다. 그리고 화력발전과 원자력발전도 화학반응과 핵반응을 이용하여 전기에너지를 생산합니다. 하지만 이러한 발전방법은 터빈을
돌리는 것으로 전자기유도(발전기)를 이용한 것입니다. 따라서 직접적인 전기에너지 발생 방식이 아닙니다.
따라서 자연적으로 기전력(起電力)을 직접적으로 일으키기
위해서는 음(陰)과 양(陽)의 위상차가 단발성이 아니라 지속적으로 교류해야 합니다(핵분열을 통해 기전력이 발생할수는 있으나 완전한 것은
아님).
![](https://t1.daumcdn.net/cfile/cafe/2372733358890C6D02)
<전자의 이동으로 빛(전자기파)이 생성되고, 그
빛에 의해 다시 전자가 생성>
직류(DC)는 높은 전압을
생성할 수 없으므로, 교류(AC)처럼 음(陰,-)과 양(陽,+)의 위상차가 뚜렷할때 높은 기전력을 일으킬 수 있습니다. 이때 전기장과 자기장이
형성되므로 전자와 빛은 서로 음양순환(循環)의 원리에 따라 서로 다르면서도 또한 서로 같은 존재로 남아서 순환대칭(soonhwan
symmetry, 물리학의 새로운 대칭성)을 이룹니다.
순환대칭을 통해 음(陰,-)과 양(陽,+)의
대칭성(symmetry)은 깨지고 다시 생성되기를 반복을 하는데, 전기력은 음(-)과 양(+)의 대칭성이 깨져서 위상차가 나타날때 가장 강하고,
자기력은 음(-)과 양(+)의 대칭성이 생성되어 위상차가 없을때 가장 강합니다. 따라서 전기력은 단극(monopole)이지만, 자기력에서 단극은
있을 수 없습니다(단극자석은 존재하지 않음). 다만 전기력(+,-)과 자기력(0,중성)은 상호 순환하는 하나의 시스템(rotation
system)일 뿐입니다.