이번에는 전기의 원리에 대해서, 입자 단위로 보다 더 자세히 알아보는 시간을 가지겠습니다.
예시로 번호 1번의 원자인 수소(hydrogen)을 살펴보겠습니다. 원자는 원자핵과 원자핵 주위를 둘러싼 전자로 이루어져있습니다.
원자핵은 양성자와 핵을 구성하는 중성자로 이루어져 있으며, 이때 양성자의 개수는 해당 원자의 속성과 직결됩니다.
원자번호는 해당 원자가 가진 양성자의 갯수입니다. 수소는 1번이기에 1개, 헬륨의 경우 2번이기에 2개입니다.
원자핵의 양성자는 (+)의 전하적 성질을 갖게되는데, 그래서 양전하로 부르기도 합니다. 중성자는 전하적 성질이 없이 질량과 관계있습니다.
원자핵 밖에는 전자가 있습니다. 이 전자는 (-)의 전하적 성질을 갖고 있으므로 음전하로 불립니다.
이 원자핵의 양성자(+) 개수만큼 원자핵 밖의 전자(-)와 전기력(인력)으로 서로 묶이게 됩니다. 같은극의 전하끼리는 밀어냅니다(전기력-척력).
수소원자의 경우 양성자가 1개이기에 원자핵 주위로 전자 1개가 붙지만, 헬륨원자의 경우 양성자가 2개이기에 전자 2개가 붙습니다.
이때 원자핵에서 필요로 하는만큼 전자 갯수가 일치하게 붙었을때, 이를 원자의 전하가 중립상태라 합니다.
수소원자가 외부에서 어떠한 에너지를 얻어, 원자핵 주위 인력으로 묶였던 전자가 날라갔다고 하겠습니다.
이때 원자로부터 자유로워진 전자를 ‘자유전자’라고 합니다.
또한 이 원자는 전자를 1개 잃으므로 균형이 깨지고 원자 전체가 (+)전하의 성질을 띄게 되고 전자를 필요로 하는 상태가 되었는데, 이를 이온상태
그 중 양이온 상태(cation)이라고 합니다.
이번에는 반대로 수소원자가 외부에서 어떤 에너지의 영향으로 인해 전자 하나가 더 오게 되었을 때,
이 원자는 전자를 1개 더 얻으므로 균형이 깨지고 원자 전체가 (-)전하의 성질을 띄게 되어 전자를 내보내야하는 상태가 되었는데, 이를 이온상태
그 중 음이온 상태(anion)라고 합니다.
자 이제 다시 멀리서 사물을 크게 바라보겠습니다.
이제 전압에 관한 이야기입니다. 전압이라는것은 전위차입니다.
전압이라는 것은 항상 두 지점 사이에 전위차를 말하는 것이며, 그렇기에 어느곳에서나 통용하는 힘의 크기를 말하는 것이 아닙니다.
그저 양이온상태의 환경으로 ‘양공’ 혹은 ‘정공’이라고 불리우는 자유전자를 필요로하는 +지점과,
‘자유전자’를 +로 흘려보내기에 적합한 환경의 -지점
그 두 지점사이의 환경적인 차이를 전위차라 부르며, 이것을 전압이라고 합니다.
즉 5V라는 것은 두 지점사이에 양전하와 전자의 상태가 5v의 크기만큼 차이가 있다는 것입니다.
이제 이 두 지점사이에 자유전자를 흘러보낼 수 잇는 도체(conductor)를 연결하고, 자유전자를 공급한다면 5v만큼의 전압 크기로
자유전자가 -에서 +로 이동하게 됩니다.
이것이 전류는 +에서 -로 흐르나, 자유전자는 -에서 +로 흐른다는 말입니다.
사실 +에서 -로 흐르는 것은 없으며, 단지 ‘자유전자’의 존재가 전류의 발견 이후에 발견되었기 때문에 아직도 전류가 +에서 -로 흐른다고 표현하는것입니다.
실제로는 자유전자가 -에서 +로 이동합니다.
전압이 높을수록 자유전자가 흐르는 양이 많아지게 되며, 전압이 커서 이동하는 자유전자의 양이 많다는것은 에너지의 이동이 많다는 것이 되고,
이것이 곧 힘의 크기가 크다는 것을 얘기합니다.
이런 전압은 V로 표시하며, 이 V만큼 흐르는 전류(이동하는 자유전자의 양)는 A라고 말합니다. 이 A는 도체의 저항에 따라 크기가 달라집니다.
또한 어떤 V에 얼마나 A가 있는지를 W로 표현합니다.
그리고 이 자유전자로 부터 에너지를 얻기위해, 자유전자를 움직이는 방향과 방법에 따라 전기를 DC와 AC로 나누어 사용합니다.
이것이 현대사회에 쓰이는 전기의 물리적 원리입니다.