​일렉트릭 라이프

4. 전기는 흐른다? 물처럼?

  우리는 지난 3화에 걸쳐 전기라는 현상의 본질이 음전하의 움직임이라는 것을 알았습니다. 하지만 우리가 평소에 사용하는 에너지로서의 전기와는 약간 달라 보이지 않나요? 왜냐하면 지금까지는 정지되어 있는 음전하에 의한 현상, 즉, 정전기에 대해 이야기했으니까요. 오늘은 움직이는 음전하에 대해 살펴보려 합니다.

  우리는 음전하의 흐름을 일컬어 전류(電流, Current)라고 부릅니다. 앞서 살펴본 정전기 현상을 보더라도 음전하가 정지되어 있는 상태로 모여 있는 경우에는 그 양에 상관없이 큰 문제가 되지 않습니다. 다만 그 모여 있던 음전하가 움직일 수 있는 조건이 되는 순간, 즉, 도체에 의해 접촉이 되거나 절연저항이 파괴되는 순간, 바로 정전기 방전 혹은 낙뢰로 이어지게 됩니다. 이러한 현상도 결국 음전하가 움직이는 현상이므로 전류에 의한 현상으로 볼 수 있습니다. 다만 일반적으로 사용하는 전류의 의미와 차이가 있다면, 그 방전이 매우 짧은 시간 동안 이뤄지고 금방 사라진다는 거죠. 이는 평평한 곳에 고여있던 물이 경사를 만나 흐르게 되고, 물이 다 소진되면 더 이상 물이 흐를 수 없는 것과 같은 이치입니다.

  그렇다면 음전하의 흐름 즉, 전류를 물의 흐름처럼 생각할 수 있을까요? 결론적으로 말하면, 한편으로는 가능하고 다른 한편으로는 불가능합니다. 음전하의 흐름을 물의 흐름에 대비하여 개념화할 수 있다면 전류를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

  먼저, 전류를 물의 흐름으로 생각해보겠습니다. 물은 항상 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 이는 중력에 의한 위치에너지에 의해 발생하는 현상이며, 우리는 이러한 위치에너지를 포텐셜에너지(Potential Energy)라 부릅니다. 높은 곳에 위치한다는 그 자체만으로도 운동에너지로 변환될 만한 잠재적인 에너지를 가지고 있다는 의미입니다. 그러면 아래로 떨어진 물을 어떻게 다시 높은 곳으로 끌어 올릴 수 있을까요? 바로 펌프(Pump)라는 장비를 이용해서 낮은 곳의 물을 다시 높은 곳으로 올리게 됩니다. 그래야만 물이 순환되어 계속해서 일을 할 수 있게됩니다.

글 ​조수환

그림 김준곤

2020년 10월 01일

  전기도 마찬가지입니다. 전기는 전압이 높은 곳에서 전압이 낮은 곳으로 흐르게 됩니다. 상대적으로 전압이 높은 쪽을 (+)로, 낮은 쪽을 (-)로 표시하죠. 그 차이를 ‘전위차’라 하는데, 이는 물의 낙차에 해당합니다. 여기에서 중요한 사실은 물이 떨어지는 건 바로 높은 곳과 낮은 곳의 상대적인 고도차 때문이라는 겁니다. 따라서 전기의 경우에도 두 지점의 전위차, 즉 상대적인 전압의 차이가 클수록 전류가 잘 흐르며, 이런 의미에서 전위차(상대전압)를 전기적 포텐셜(Electrical Potential)이라고 부릅니다. 그렇다면 낮은 전위로 흘러간 전기를 어떻게 다시 높은 전위로 올릴 수 있을까요? 이를 위해서 전기에도 펌프의 역할을 하는 장비가 필요하겠죠. 그러한 장비가 바로 발전기 혹은 전지입니다. 우리는 이런 역할을 하는 전기적 장비를 전원(Source) 혹은 발전원(Generator)하고 부릅니다.​

  또한, 물이 흐르는 길(수로)이 필요하듯이 전기도 흐르는 길(전로)이 필요합니다. 중간에 그 길이 끊긴다면 물도 전기도 잘 흐를 수 없겠죠? 특히나 전기의 경우에는 전기적 저항이 존재하기 때문에 전원의 (+)극으로부터 (-)극까지 완전한 선로로 연결되어야 합니다. 우리는 이를 일컬어 폐회로(닫힌 회로, Closed circuit)라 부릅니다.

  그럼 물의 흐름과 전기의 흐름에는 어떠한 차이가 있을까요? 그 차이는 바로, 물은 사람이 인지 가능한 수준의 속도로 흐르지만 전류는 사람이 인지하지 못할 정도로 빠른 속도인 광속(초속 300,000km)으로 움직인다는 사실입니다. 결과적으로 전기의 흐름을 직접 사람이 인지하는 것은 불가능합니다. 따라서 개념적으로나마 그 방향을 이해해야 합니다. 위의 회로 위에 음(-)전하가 있다고 상상해보겠습니다. 전류는 음전하의 흐름이라고 했으니까요. 음전하는 (-)극성을 띄므로 전원의 (+)극과는 인력(당기는 힘)이, (-)극과는 척력(밀어내려는 힘)이 작용합니다.따라서 빛의 속도로 전원의 (-)극으로부터 나와서 (+)극 쪽으로 움직이게 됩니다. 이제 우리는 전류의 방향을 음(-)전하의 이동 방향의 반대 방향으로 정의하는 거죠.

  이제 우리는 전류에 대한 개념을 정립할 수 있게 되었습니다. 물이 떨어지는 낙차가 클수록,수로의 저항이 적을수록, 떨어지는 물이 물레방아를 돌리는 힘이 커지듯이 전위차가 클수록, 회로의 저항이 적을수록, 더 많은 음전하가 흐르게 된다. 이는 전류의 크기를 의미합니다. 또한 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯, 전류 역시 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다는 사실을 통해 전류의 방향을 결정할 수 있습니다. 이는 전기를 만드는 쪽에서 사용하는 쪽으로 전류가 흐른다는 것을 의미하기도 합니다.

   © 조수환(글), 김준곤(그림)

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