전기는 어떻게 만들어지는가
[일상 속] 전자기 유도 현상
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Feb 17. 2022
전기세 고지서가 나왔다. 볼 때마다 이만큼이나 썼나 싶은 액수라 놀라곤 한다. 그러고 보니 당장 오늘만 하더라도 청소기 돌릴 때, 헤어 드라이기 쓸 때, 전기 주전자 쓸 때, 세탁기 돌릴 때, 티비 볼 때 전기를 썼고 냉장고며 형광등이며 충전기며 지금 이 순간에도 전기를 쓰고 있다. 언제부턴가 가스레인지 대신에 인덕션, 자동차 대신에 전기 자동차가 늘어나면서 전기 이용 범위는 더욱이 넓어지고 있다. 전기란 무엇이고 어떻게 만들어지고 우리가 어떻게 쓰고 있는 것일까?
다른 에너지도 많은데 왜 하필 전기인가. 이에 대해 두 가지 이유를 들 수 있다.
첫 번째로 전기 에너지는 휴대할 수 있다. 다른 에너지와는 달리 전기 에너지는 저장하여 들고 다닐 수 있는데 대표적인 예시로 스마트폰이 있다.
두 번째로 전기 에너지는 다른 에너지로 전환이 쉽다. 전기 주전자나 전기밥솥은 열에너지, 세탁기나 청소기는 역학적 에너지(운동 에너지), 형광등은 빛 에너지, 티비나 라디오는 소리 에너지로 작동한다. 이처럼 각각의 용도에 따른 에너지가 필요한데 전기 에너지는 각각의 에너지로 쉽게 전환이 가능하다.
그렇다면 전기란 무엇인지, 어떻게 만드는지에 대해 보자.
초등학교 ver.
전기의 사전적 정의를 보면 '같은 종류의 전기는 밀어내고 다른 종류의 전기는 끌어당기는 힘이 있다'라고 나와 있다. 이 설명은 오히려 자석에 더 어울려 보인다.
전기에 대해 계속 보면 자연스레 알겠지만 전기와 자석(자기)은 찐한 친구이다.
실제로 전류가 흐르는 곳에 나침반을 갖다 대면 바늘의 방향이 달라진다. 즉 전류가 흐를 때 자기장이 생긴다는 의미이다.
이러한 점을 이용하여 전자석을 만들 수 있다. 전자석이란 전류가 흐르는 동안에만 자기장이 생겨서 자석과 같은 역할을 하는 것이다.
자기력: 자석의 힘
자기장: 자기력이 작용하는 장소 (축구하는 곳을 축구장이라고 부르는 것처럼)
중학교 ver. [전기란?]
전구와 전지, 스위치를 연결하고 스위치를 누르면 전기가 통해서 전구에 불이 들어온다. 좀 더 자세히 보면 전기 회로를 통해 "전자"가 이동했기 때문에 불이 켜진 것이다. 즉 전기란 전자의 이동에 의해 발생하는 에너지이다.
특별 출연 : 헬륨 원자전자는 '원자'에 소속된 아주 작은 알갱이다. '원자'란 물체를 이루는 가장 작은 단위로 그림과 같은 구조를 이룬다. 원자는 그림에서처럼 파란색으로 그려진 전자와 빨간색으로 그려진 원자핵으로 이루어져 있다. 원자핵은 또 중성자와 양성자로 이루어져 있다.
각 알갱이들은 전기적 특성을 띤다. 전자는 음(-)전하를 띠고 양성자는 양(+)전하를 띠고 중성자는 이름대로 어떤 전하도 띠고 있지 않다. 정리하자면 전자는 음전하, 원자핵은 양전하를 띤다.
(헬륨 원자 : 전자 2개 = -2, 원자핵 = +2)
평소라면 그림의 헬륨 원자처럼 총전하량이 0이라 전기적으로 중성을 띤다. 그러나 전자의 이동이 발생할 경우 원자는 양(+)전하 혹은 음(-)전하를 띠게 된다. 이렇게 전기를 띤 물체 사이에 '전기력'이라는 힘이 생긴다.
앞서 얘기한 사전적 정의처럼 같은 전하를 띤 물체는 서로 밀어내려고 하고 다른 전하를 띤 물체는 서로 끌어당기려고 한다.
전기회로는 전지에 의해 전자가 이동하면서 전구에 불이 들어오는 것이다. 이때 전기의 흐름을 전류, 전류에 가해지는 압력을 전압이라고 한다. 대개 전기의 흐름을 물의 흐름으로 비유한다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것은 높이차에 따른 수압에 의한 것이다. 마찬가지로 전기 또한 전압에 의해 흐른다. 즉 전압은 전류를 흐르게 하는 원인으로 본다.
cf) 전기가 흐를 때 전자가 이동함에도 불구하고 전류를 음전하의 이동이 아닌 '전하의 이동'이라고 한다. 그 이유는 오래전 과학자들이 전류의 흐름을 양전하의 이동으로 약속해놨기 때문이다. 그래서 전류의 흐름 방향과 전자의 흐름 방향은 정반대이다. 그래서 전류는 전자의 이동이자 전하의 이동이라고 얘기한다.
교과서 ver. [전기 만드는 법]
앞서 전자석은 전류를 통해 자기장을 형성하였다. 그렇다면 그 반대로 자기장을 통해 전류를 만들 수 있을까? 그 답은 자가발전 손전등이 알고 있다. 자가발전 손전등은 따로 건전지나 충전기가 필요하지 않다. 그저 흔들기만 하면 손전등이 켜진다. 손전등 내부에 "코일"과 "자석"이 있기 때문이다. 손전등을 흔들면 자석이 코일 사이로 움직이면서 전기를 만드는 것이다. 이를 전자기 유도 현상이라고 한다.
전자기 유도 현상은 "코일"이나 "자석" 둘 중 하나는 꼭 움직여야 나타난다. 둘 다 움직이지 않는다면 전류가 흐르지 않는다. 코일이나 자석이 움직이면 코일을 통과하는 자기장이 변하면서 전압이 발생하여 코일에 전류가 흐르게 된다.
이러한 원리를 바탕으로 발전소의 발전기가 전기를 생산한다. 발전기는 거대한 자석 사이에 코일을 회전시킴으로써 전자기 유도 현상을 일으켜 전기를 만든다. 이때 바람에 의해 코일이 돌아가면 풍력 발전, 불의 열기에 의해 코일이 돌아가면 화력 발전 등으로 코일을 돌리는 힘의 명칭을 따서 이름 붙인다.
요약