[회로이론] - 그 흔한 [전자, 전류]의 진짜 이야기

안녕하세요 공직자에요.

 

본격적으로 회로이론의 첫 스타뜨를 끊어보도록 할게요.

 

오늘 다룰 것은 미시적인 세계의 영역으로 다소 추상적일 수 있어요.

 

회로이론은 눈에 보이지 않기 때문에 딱딱하고 지루할 수 있기에

 

최대한 쉽게 설명하려고 노력해볼거에요.

 

부족한점이 많더라도 너그러이 양해바라며

 

잘 따라와 주시기 바랍니다.

 

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전하

 

우리가 회로이론을 가장 처음 배우게 되면 제일 처음 접하게 되는 것이

 

바로 전기적인 성질을 띄게 하는 원인입니다.

 

대부분의 학문에서 사람들에게 지식을 공유하기 위해서 짜임새를 가지고 책을 구성하죠?

 

제일 첫 번째 주제에서는 이 학문이 왜 나타났는지, 옛날 사람들은 어떤걸 궁금해 했고,

 

누가 마침내 그러한 원인을 규명했고에 대해서 자세하게 다룬답니다.

 

 

 

때문에 우리가 공부를 하는데 있어서 이러한 흐름속에서

 

저자가 이야기를 기술할 것이라는 것을

 

미리 알고 공부에 임하는 것은 굉장히 중요합니다.

 

이전 포스팅에서도 말씀드렸다시피 이해가 가지 않는 부분은 원래 그런 것이라고 자연스럽게

 

받아들이시되, 최대한 역사의 흐름에 맞춰서

 

공부해보는 것이 전기를 이해하는데 분명히 도움이 될거에요

 

이 분야가 지금까지 어떤 방법으로 발전되어 왔는지 그 변천사 순으로 개념을 나열합니다.

 

전기라는 것이 눈에 보이지 않지만 존재하는 것은 분명하고, 또 이러한 현상이 왜 나타나는지

 

설명이 안됬기 때문에 많은 사람들의 머릿속에서 미지의 영역으로 남아있었죠. 

 

그렇게 시간이 흐르고 나서 물질의 전기적인 성질을 띄게 하는 원인이 밝혀 집니다.

 

바로...

 

그 계기는 미시적인 세계인 원자의 구조를

 

밝혀내게 되면서였는데요.

 

톰슨이라는 위대한 과학자의 음극선 실험으로부터였습니다.

 

전자라는 놈이 원자의 중심을 회전하고 있다는 사실을 알게되었죠.

 

마치 태양계에서 지구가 태양의 주위를 공전하듯 말이죠.

 

 

근데 그... 전자라는 녀석이 자석의 +, -와 같이 극성을 가지고 있고 - 극성을 띄고 있다는

 

사실 또한 알아냈습니다.

 

왜인지는 모르겠으나 자연 현상을 보면 서로 다른 '극'이라고 불리우는 끝과 끝은

 

서로 끌어당기는 힘이 있죠.

 

이야기가 잠시 다른곳으로 새지만.

 

저는 공부하면서 항상 왜? 라는 질문을 했었는데요.

 

 

'왜 + 와 -는 서로 끌어당기는건데??', '+는 왜 +고 -는 왜 -인데?'

 

라는 질문에 사로잡혀 더이상 학문에 진전이 없었던 경우가 허다했어요.

 

특히 대학생때 말이죠.

 

지금와서 생각해보면 '왜 + 와 -는 서로 끌어당기는데?' 라는 류의 질문이

 

다소 난해하고 의미가 없다는 것을 깨닫습니다.

 

물론 궁금할 수는 있지만.

 

엔지니어의 관점에서 보면 자연 현상을 이해하고 잘 활용해먹는 기술이 중요한

 

것이지 왜?? 라는 질문을 하는 것은 결국 자연 과학을 탐구하는 것 밖에 되지 않으니까요.

 

더욱이 자연 현상을 "왜?"라는 관점으로 접근 했을때 그 답은 신만이

 

알고 있을 거라는 생각도 들었습니다.

 

말이 길게 다른 곳으로 빠졌네요!

 

다시 돌아와볼까요? 

 

원자의 구조가  크게 세 가지로 구분되어 있다는 사실을 알게 되고서 비로소 전기라는 것의 실체가 잡혔습니다.

 

원자는 기본적으로

 

1. 양성자

2. 중성자

3. 전자

 

이렇게 총 3가지로 구분이 됩니다.

 

1. 양성자는 +의 성질을 띄고 있고.

2. 중성자는 극성이 없으며

3. 전자는 -의 성질을 띄고 있습니다.

 

그렇다면 전자와 양성자는 서로 극성을 띄고 있음에도 왜...!

 

전기라는 놈은 생겼다가 없어졌다 할까요?

 

여기에 대한 해답은 간단합니다.

 

어떤 물질 A를 아주 작은 세계를 볼 수 있는 현미경으로 관찰했다고 가정 봅시다.

 

이 물질은 자세히 들여다보니,

 

전자가 가지고 있는 전기적인 힘이 -10이고

 

양성자가 가지고 있는 전기적인 힘이 +10이었습니다.

 

두 힘이 합쳐졌을때 결국 0이라는 결과 값이 나오죠?

 

양성자와 전자는 각각 극성을 띄고 있지만

 

그 두개가 같은 비율로 합쳐져 있다보니 마치 0인것 처럼 보이는 것이죠.

 

즉, 전기적인 힘은 원래부터 잘 작용하고 있었으나 힘의 합이 0이라

 

마치 없었던 것처럼 보였다는 것이죠!!

 

물질 A의 경우

 

또 다른 물질 B를 볼까요?

 

만약 전자가 가지고 있는 전기적인 힘이 -10이고

 

양성자가 가지고 있는 전기적인 힘이 +9라면

 

두 힘이 합쳐졌을때 마치...

 

-1의 상태로 원자가 존재하게 되는 것입니다.

 

세상의 모든원자는 중성의 성질을 띄려고 노력하지만

 

어떠한 조건이 하에서 이러한 전자와 양자의 배율이 깨져버리고

 

전기적인 힘이 발휘되는 것처럼 보입니다.

 

물질 B의 경우

 

제가 예제에서 표현했던 전기적인 힘이라고 표현한 부분들을

 

전기라는 학문에서는 쿨롬(C)로 표시한답니다.

 

여기서 한 개의 전자는 아래와 같은 수식으로 그 힘의 크기를 표현합니다.

또한 원자는 자연의 본연 상태에서 중성을 유지하려고 하는 성질이 있기 때문에

 

양성자의 힘의 크기 또한 전자와 동일하겠지요.

 

즉, 전자가 총 10개가 있어서  

 

힘의 크기를 유지한다면

 

양성자도 마찬가지로 아래 힘을 유지하여 마치 그합이 0이되는 것처럼 보이는 상태를 유지한다는 의미입니다.

 

 

실험적인 관측에 의하면, 자연에 존재하는 전자량은 전자 하나의 전하량의 정수배로 관측이 된다고 합니다.

즉 하나의 전자당 가지고 있는 힘의 크기가 정수배로 늘어날 수 있다는 것은 전자가 정수 단위로 존재한다는 

 

사실과도 같은 것이죠.

 

신기하죠!

 

또!!!

 

전하에서 중요한 법칙이 하나 있어요

 

자연상의 전하는 생성되거나 파괴될 수 없으며 물질간 이동될 뿐이라는 사실!!!

 

이를 전문적인 용어로 '전하 보존의 법칙'이라고 말을 한답니다.

 

즉 전자가 하나더 많은 물질은 자기 스스로 전자를 생성한게 아니라! 

 

누군가로부터 빌려왔다는 것이죠.

 

후대에 알게된 사실이지만.

 

전자는 양성자나 중성자보다 그 무게가 훨씬 가벼워

 

자유롭게 이동한다하여 자유전자라고 칭하기도 했습니다.

 

물질에 전기적인 성질을 띄게 되는 것은

 

자유전자가 마음껏 이리 저리 돌아다니기 때문이라고 생각하시면 편하겠네요!

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전류

지금까지는 전기적인 특성을 띠는 근본적인 원인에 대해서 공부했었는데

 

이제부터는 그 전기적인 원인을 띄는 물질 때문에 어떠한 자연현상이 발생되는지를 알아볼겁니다.

 

 

 

전기적인 성질을 이야기하면서 자유전자를 언급했었죠?

 

전자는 중성자나 양성자보다 무게가 비교적 가벼워 원자 사이를 자유롭게 돌아다니며 활보합니다.

 

그런데... 

 

전자라는 이녀석이 좀 특이한 행보를 보입니다.

 

전자는 평상시에는 마치 저마다의 목적지가 있어서 걷고 있는

 

번화가내 사람들의 움직임처럼 규칙없이 지멋대로 움직이는 행동을 보이다가...

 

고속도로(도선)를 놔주고 뒤에서 허리케인(전지)이 몰려오면 마치 자동차(전자)가

 

허리케인을 피하려고 그 반대 방향으로 일렬로 분주하게 움직이는 현상이 발견된 것이죠.

 

이것이 바로 전류라는 녀석입니다.

 

전하라는 놈이 무분별하게 움직이는 것이 아니라 목적지가 분명하고, 목적지를 향해서 일률적으로

 

나아가는 모습이 마치 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것과 같이 전기적인 흐름을

 

만들어 냅니다.

 

이러한 전기적인 흐름을 우리는 전문용어로 암페어 A로 표시를 합니다.

 

전류는 전하가 단위시간 동안 얼마나 변화했는지를 통해 표현하는데요.

 

I 의 단위는 암페어 A

Q의 단위는 쿨롬 Q

T의 단위는  초 SEC 입니다.

 

적분을 통해서 식을 표현해볼까요?

(아. 제 포스팅은 기본적으로 수학 미적분을 할줄 안다는 전제로 설명을 합니다. ^-^;;)

 

전류를 시간에 따라 적분한 값이 곧 전하량이네요

 

즉 줄여서 표현하자면 Q=IT 정도가 되겠네요

 

전류를 직관적으로 이해하자고 생각해보면 1초에 몇개의 전자가 이동했냐 정도?

 

1초당 움직일 수 있는 전자량수죠

 

1전자는 앞선 식에서도 보앗듯이 아래 수식 정도의 힘을 가지고 있으니

 

만약 시간 1초의 변화량 동안 아래 수식의 전자량 만큼 변화했다고 가정하면

 

 

라고 표현이 되것네요.

 

여기서 추가 신박 개념 소개하나 해드리죠

 

여러분들이 흔히 말하는 1[A]가 얼마나 큰 전류이냐?

 

1[A]로 말할 것 같으면

 

1초당 1C의 전류가 흘러야 하는 거니까

 

1C이라는 전하량이 대체 몇개의 전자인지를 세보면 되겟죠

 

네 간단히 말해서 1[A]는 1초에 62경 4천조개의 전자가 흐른 결과입니다.

 

1[A]가 얼마나 큰단위의 전자의 이동인지 대략 이해하셨길 바라면서

 

인체 감전과 관련된 찌릿한 생존지식 하나 투척하고 이번시간 마무리 하려고 합니다.

 

 

아참. 다음 시간에는 전압과 전력에 대한 이야기를 진행하도록 하겠습니다.

 

오늘은 여기까지 입니다. 

 

끝.