​일렉트릭 라이프

1. 너무나도 친숙해서 더욱 어려운 전기

 

  우리는 생활 속에서 ‘전기를 아끼자!’라든지 ‘전기가 끊겼다.’, ‘전기가 흐른다.’ 등의 표현들을 쉽게 접하고 사용하고 있습니다. 전기라는 게 대체 무엇이길래 눈에도 보이지 않는 전기를 어떻게 아낄 수 있을까? 정말 전기가 물과 같이 움직이고 흐르는 것인가?


  앞으로 전개될 전기 이야기를 잘 이해하려면 우선 전기의 실체와 성질을 이해해야 합니다. 조금은(?) 지루하게 느껴지더라도 참는 자에게 복이 있으리니...

 

  그럼 다음의 첫 번째 질문으로 『일렉트릭 라이프』의 여정을 시작해보겠습니다. 

  전기란 과연 무엇인가? 
 

  우린 무엇을 전기라고 말하는가?
 

  이와 관련해서, 전기는 에너지인가? 아니면 눈에 보이지는 않지만 흐르는(눈에 보이지 않아 흐르는 것을 확인할 방법은 없지만 흐르는 것으로 생각할 수 있는) 무엇인가? 

 

  전기(電氣, electricity)란 물질 안에 있는 전자 혹은 자유전자의 움직임에 의해 생기는 에너지의 한 형태를 의미합니다. 여기에서 말하는 물질이라 함은 전기가 흐를 수 있는 물질 즉, 도체(conductor)를 말합니다. 결과적으로 전기는 에너지의 한 종류로서, 후에 소개될 ‘전하(electric charge)’에 의해 생기는 현상들을 모두 포함하는 포괄적인 개념입니다.

 

  지구에 존재하는 모든 물질은 원자(atom)라고 하는 기본 입자로 이루어져 있습니다. 현대 물리학의 관점에서 보면, 원자는 원자핵(atomic nucleus)과 전자(electron)로 구성되고, 원자핵은 다시 중성자(neutron)와 양성자(proton)로 구성됩니다. [그림 1]
중성자는 전기적으로 극성이 없고(이를 중성이라고 함), 양성자는 양(+)극성을 띄므로 중성자와 양성자를 합한 원자핵은 양(+)극성을 띄게 됩니다. 이에 반해 전자는 음(-)극성을 띄고 있으며, 원자 안에는 같은 수의 양성자와 전자가 존재하기 때문에 원자는 전기적으로는 중성의 성질을 가지게 됩니다.

글 ​조수환

그림 김준곤

2020년 08월 15일

그림 1. 원자의 구조

  이 때, 외부로부터 에너지를 받으면 원자에서 전자가 떨어져나오게 되는데 이러한 현상을 전리 혹은 이온화(ionization)라고 부릅니다. 이렇게 전자를 잃어버린 원자는 전기적으로 양(+)극이 되고, 떨어져 나온 전자는 전기적으로 음(-)극을 띄게 됩니다.

그림 2. 원자의 이온화 과정 (전리, ionization)

  여기에서 원자로부터 자유로워진 전자를 자유전자(free electron)라 하고, 전기적으로는 음전하(negative charge)라고 부르며, 전자를 잃음으로써 남게 되는 공간(실제로는 공간이 존재하지는 않지만 우리는 개념적으로 공간이 남는 걸로 이해한다.)을 전공(hole)이라 하고, 전기적으로는 양전하(positive charge)라고 부릅니다. [그림 2] 자유전자(음전하)는 음(-)극성을, 전공(양전하)은 양(+)극성을 띄게 된다는 사실을 이제 이해할 수 있겠지요?

  전기라고 일컫는 모든 현상은 바로 자유전자(음전하)의 이동에 의해 생기는 것입니다. 

 

  이와 관련해서 자유전자의 이동이 쉬운 물체를 도체(conductor)라 하고, 그렇지 않고 자유전자의 이동이 불가능한 물체를 부도체 혹은 절연체(insulator)라고 부릅니다. 그럼 자유전자의 이동이 가능하긴 하지만 힘든 물체는 무엇이라고 부를까요? 저항이 큰 도체라고 합니다. 자유전자의 이동이 쉬운지 어려운지를 판단하는 물리적인 단위가 바로 저항(ohm, Ω)인 거죠.

 

  결과적으로 말해, 우리가 말하는 전기는 바로!! 도체에서 움직이는 음전하에 의한 현상으로 이해할 수 있습니다.

 

  다음 시간에는 음전하의 움직임에 대해 좀 더 자세히 살펴보겠습니다. 

 

  © 조수환(글), 김준곤(그림)

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