연문위키 - 14편. 전기는 어디에서 왔을까?③
3) 전자가 움직이면 전기가 생긴다.
보어의 모형에 따르면 전자는 한 전자껍질에서 다른 전자껍질로 순간 이동할 수 있습니다. 전자껍질은 마치 계단과 비슷해서 계단에서 다음 계단으로 이동할 수는 있지만, 계단 사이에 있을 수는 없어요. 하지만 전자가 전자껍질을 이동하기 위해서는 경로를 바꿀 수 있을 만큼의 빛(에너지)을 얻어서 더 바깥쪽 전자껍질로 가거나, 빛(에너지)을 방출하면서 더 안쪽의 전자껍질로 이동할 수 있습니다. 이렇게 전자가 이탈하거나, 합류하게 되면 원래 전기적으로 중성이었던 원자는 음전하(-) 또는 양전하(+)가 되는 거예요.
전하(電荷(멜(하)), Electric Charge)
전하는 물체가 가지고 있는 전기적인 성질을 의미합니다. 정전기의 양이라고도 해요. 원자는 그 자체로 중성인데, 외부의 충격에 의해 전자가 움직이게 되면 전기적 성질을 가지게 됩니다. 이를 대전(electrification)이라고 해요. 음의 성질을 가지고 있는 전자가 내부로 들어온 원자를 음전하(-), 외부로 나가게 되면 그 원자를 양전하(+)라고 합니다.
전자의 이동으로 전하가 만들어지는데, 전하도 흐를 수 있습니다. 전하는 모든 전기 현상의 근원이 되는 아주 중요한 물질입니다. 전하는 같은 성질끼리는 밀어내는 척력이 작용하고, 다른 성질끼리는 끌어당기는 인력을 지니고 있습니다. 이를 전기력이라고 해요.
어찌 된 일인지 전자와 전류의 이동방향은 반대입니다.일반적으로 양전하(+)는 움직이지 않고, 음전하(-)만 흐릅니다. 잘 생각해 보면 음전하(-)끼리는 밀어내는 척력이 있고, 양전하(+)는 음전하(-)를 끌어당기니 전하의 흐름인 전류(electric current, I)는 (-) 극에서 (+) 극으로 흐른다는 것을 알 수 있어요. 하지만 현대 과학에서 '전류는 양전하가 이동하는 것'으로 간주합니다. 다시 말해 전류는 (+) 극에서 (-) 극으로 이동한다고 설정했어요. 이렇게 틀리게 설정한 이유는 사실 전자에 대해 몰랐던 18세기의 과학자들이 양전하의 흐름을 전류라고 생각했기 때문이에요. 이후 여러 이론들이 전류는 양전하가 이동하는 것으로 간주하고 발표되면서, 이 모든 이론들을 수정할 수 없다는 점 때문에 전류는 현대 과학에서도 +극에서부터 멀어지고, -극으로 들어간다고 정의합니다.
전기차에 들어가는 전지는 전하의 충전/방전을 이용해서 만들어요.흔히 전압(Voltage, V)을 전류에 가해지는 압력이라고 알고 있는데요, 정확하게는 전류의 위치 에너지 차이가 전압이에요. 마치 평평한 곳의 물은 흐르지 않지만, 높은 곳의 물은 낮은 곳으로 떨어지는 것과 같다고 생각하시면 이해하기 쉬울 거예요. 전류도 마찬가지로 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 거예요.
어떤 물체의 양 쪽 끝에 전압의 차이가 발생하면 전기장(electric field)이 생깁니다. 그리고 이 전기장을 따라 전하가 움직이는데, 음전하가 많은 쪽에서 적은 쪽으로 음전하들이 이동하는 과정을 방전(discharge)이라고 합니다. 그리고 이 과정에서 에너지가 나오죠. 이와 반대 방향으로 양전하가 많은 쪽에서 적은 쪽으로 음전하가 이동하는 과정을 충전(Charge)라고 해요. 충전 과정에서는 에너지가 축적됩니다.
전기가 잘 통하는 물체는 무엇이 다를까요?
원자의 영향을 받지 않는 자유 전자. 자유롭게 이동합니다. [전기는 어디에서 왔을까?] 2편에서 원자는 전자를 공유하면서 분자가 된다고 말씀드렸습니다. 이렇게 전자를 공유하면서 원자가전자의 일부가 방출되기도 하는데 이를 자유 전자(free carrier)라고 합니다. 자유 전자는 원자의 영향을 받지 않고 자유롭게 움직일 수 있는 전자들이에요. 특히 전기가 잘 통하는 금속 물체에 자유 전자들이 많은데, 이러한 물체를 도체(Conductor)라고 합니다. 그래서 도체에는 자유전자들이 많기 때문에 전류가 잘 흐를 수 있는 거지요. 이렇게 전류를 흐르게 하는 전자들을 전하 수송자 (charge carrier)라고 불러요. 참고로 이전 편에서 다루었던 초전도체는 전류가 이동할 때 방해요소가 아예 없는 신비한 도체입니다.
수업이나 실험에서 배터리의 양극에 도선을 연결하고, 그 도선이 전구와 이어지면 전구에 빛이 나는 실험을 보셨을 거예요. 보통 전선 안을 보면 구리(Cu)가 있는데요, 구리도 자유 전자를 많이 가지고 있는 도체입니다. 배터리의 +극과 -극 사이를 연결한 회로에 있는 구리 내부의 자유 전자(-)들은 전지의 +극의 인력을 받아 끌어당겨지게 됩니다. 게다가 배터리의 -극에서 밀어내는 청력을 받으면서 지속적으로 전하의 흐름, 즉 전류를 만들어 내는 거예요. 그러니 정전기는 쌓여있는 자유 전자들 때문에 잠깐 찌릿하고 말지만, 배터리를 통해 전류가 흐르는 회로에서는 전기가 오랫동안 발생할 수 있는 거예요.
도선(導線, Conducting Wire, Chord): 전류가 흐를 수 있도록 도체를 길고 가는 선을 말합니다. 전선이라고도 합니다. 특히 시작과 끝이 이어진 도선을 회로(回路, Circuit)라고 해요
구리(Cu) - 원소번호 29번
인류가 최초로 제련한 금속으로 약 1만 년 전부터 사용했다고 추정됩니다. 구리는 전도성이 뛰어나고 열을 잘 통과시켜요. 그래서 고압 전류가 흘러도 견딜 수 있지요. 금, 은, 알루미늄 등도 구리를 대신해 사용할 수 있지만 너무 비싸서 잘 쓰지 않습니다.
