전류와 전압, 개념 잡기

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

전기 용어 중에 우리가 가장 자주쓰는 용어가 있다면 '볼트(Volt)'라는 단어를 꼽을 수 있습니다. 여러분도 아시다시피 '전압'을 뜻하는 용어죠. 우리나라는 가정용 전압으로 220V를 쓰고 있고, 110V를 쓰는 나라도 있습니다. 위 사진처럼 사용하는 전압에 따라서 플러그 모양도 다릅니다.

이번 시간에는 「전기와 자기」 단원에서 가장 중요한 전류, 전압에 대해서 자세히 공부해보겠습니다. 먼저 앞서 배운 '전하'가 무엇인지 충분히 이해하고 오셔야 이번 학습 자료도 쉽게 공부하실 수 있습니다.

● 전하 [electric charge]

*** 개념 이해하기

■ 전류 [electric current, 電流]

전류(電流)라는 단어에서 'current, 流'라는 단어는 '흐르다'라는 뜻을 가지고 있습니다. 그렇다면 전류란 무언가가 '흐른다'는 말인데요, 과연 무엇이 흐르는 걸까요?

전류의 정의를 교과서에서 찾아보면 '전하의 흐름'이라고 설명되어 있습니다. 전하는 전기적 성질을 의미하니까, 전류란 '전기적 성질이 흐르는 것'이라고 생각할 수 있어요. 그런데 성질이 흐른다니, 과연 이게 무슨 말일까요?

원자를 이루는 양성자와 전자 중에서 실제로 움직이는 건 가벼운 '전자'입니다. 특히 양성자가 끌어당기는 힘을 벗어날 수 있는 전자를 '자유전자'라고 하는데요, (-)전하를 가진 자유전자가 한쪽 방향으로 이동할 때, 흐르는 것처럼 움직일 때, 이것을 '전류'라고 하는 것입니다.

그렇다면 (-)전하를 가진 전자는 어떤 힘으로 이동을 하는 걸까요? 전류가 흐르는 이유를 알아봐야겠지요?

■ 전위 [electric potential, 電位]

전류를 흐를 수 있게 하는 힘에 대해서 바로 설명하기 전에 '전위'에 대해서 이해하고 넘어가야 합니다.

전위(電位)의 한자 뜻은 '전기의 위치'라는 뜻입니다. 정확하게 말하면 '전기의 위치에너지'인데요, 위치에너지(potential energy)가 무엇인지 2학년 과학 과정에서 배웠지요? 폭포 사진으로 간단하게 이해해봅시다.

물은 흐를 수 있는 통로가 있다면 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 중력 때문이죠. 높은 곳에 있는 물이 위치에너지가 크고, 낮은 곳에 있는 물은 위치에너지가 작겠죠. 물은 위치에너지가 큰 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 하지만 같은 높이에 있는 물은 흐르지 않겠죠.

정리하면 '위치에너지 차이가 있어야 물이 흐른다'라고 말할 수 있습니다.

전기도 이와 마찬가지라고 생각하면 됩니다. 물론 우리가 생각하는 높낮이 차이는 아니지만, 전기적인 에너지 차이, 전위(전기적 위치에너지)가 차이가 있어야만 전기가 흐릅니다. 이때, 전위의 높고 낮은 차이를 '전위차(potential difference)'라고 하죠.

그렇다면 이런 전위의 차이는 무엇이 만들어내는 것일까요?

바로 우리가 사용하는 건전지나 배터리입니다. 건전지와 배터리가 전위차를 만들어내고, 그 힘으로 전기가 흐르는 거죠. 결국 전기를 흐르게 하기 위해서는 건전지나 배터리같은 전원이 필요한 겁니다.

■ 전압 [voltage, 電壓]

앞서 말한 전위차로 생긴 전기적 압력을 '전압'이라고 합니다. 전류를 흐르게 하는 힘이 바로 '전압'인 것이죠. 결국 전압을 만드는 것이 바로 건전지와 배터리라고 할 수 있습니다.

전압의 단위는 우리가 잘 아는 것처럼 [V, 볼트]를 사용합니다.

★ 물의 흐름으로 이해하기

펌프로 물을 끌어올려 물레방아를 돌리는 구조를 생각해봅시다.

펌프가 물을 끌어올려서 물의 높이 차이를 만들고, 이 압력으로 물이 흘러내려와서 물레방아를 돌리게 됩니다. 이 구조를 전기 회로에 비유해볼게요.

전지가 전기적 에너지 차이(전위차)를 만들어내고, 그 압력(전압)으로 전류가 흐르게 되어 전구에 불이 켜지게 됩니다. 

펌프 = 전지

밸브 = 스위치

물레방아 = 전구

물의 높이 차이 = 전위차

수압 = 전압

물 흐름 = 전류

이렇게 비유할 수 있겠네요.

위 내용을 한 문장으로 정리해볼게요.

건전지와 배터리가 전위차를 만들어내고 전압(전기적 압력)이 생기면 이 압력으로 (-)전하를 띤 전자가 이동해서 전류가 흐르게 되는 것입니다.

개념 정리가 조금 되셨나요? ^^

*** 전류, 더 자세하게 알기

■ 전류의 방향

전지와 스위치가 연결된 전기회로에서 스위치를 열어두면 전류가 흐르지 않습니다. 이때 전자들은 방향성 없이 여러 방향으로 움직이고 있겠죠. 그러다가 스위치를 닫으면 한쪽 방향으로 전류가 흐르게 됩니다. 과연 전류는 어느 방향으로 흐르는 걸까요?

전자의 존재가 발견되기 전 아주 옛날 과학자들은 (+)극 근처가 전위가 높다고 생각하고, (-)극 근처는 전위가 낮다고 생각했습니다. 이 생각에 따라서 '전류란 (+) → (-) 방향으로 흐른다'고 정했죠.

하지만 전자의 존재가 밝혀지고 실제로 움직이는 전자는 전기적 성질에 의해 (-) → (+) 방향으로 흐른다는 사실도 알게되었습니다.

어떤 이유에서인지는 모르지만, 이러한 사실이 밝혀졌음에도 과학자들끼리 기존에 생각했던 전류 방향을 바꾸지 않고 그대로 사용하기로 했답니다 ^^;; 그래서 우리도 ㅠㅜ 과학자들의 약속을 따라 전류와 전자의 흐르는 방향을 알아두어야 합니다.

- 전류의 방향: (+)극 → (-)극

- 전자의 방향: (-)극 → (+)극

아주 간단한 내용인데도 시험에 자주 나오는 내용이니 꼭 기억하시길 바래요.

■ 전류의 세기

전류의 세기는 1초 동안에 전선(도선)의 단면을 통과하는 전하의 양으로 나타냅니다. 뭐, 사실 이동하는 건 전자니까 전자의 개수죠.

전류의 단위는 [A, 암페어]를 씁니다.

1A는 1초 동안 도선의 한 단면을 무려 6.25 X 1018개의 전자가 통과할 때 전류의 세기입니다. (정말, 정말, 많은 수의 전자죠)

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전기 단원의 기초가 되는 전류와 전압에 대한 개념을 잡아보았습니다. 개념을 정리하지 않으면 교과서나 참고서에 나오는 전하, 전류, 전압에 대해 잘 이해를 할 수 없고, 기초가 흔들리면 앞으로 전기 파트 공부가 힘들어지게 됩니다. 기본 개념을 친구에게 설명할 수 있을 정도로 공부하고 이해하시길 바랍니다.

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