꼭 알아야 하는 전기와 자기

1.유도 전기와 건전지 원리

전기력은 플러스 전하와 마이너가 전하 즉 양전하와 음전하 사이에서 작용하는 힘이다. 질량이 있는 곳에 중력이 발행하는 원리와 같다. 전기력은 전하가 있으면 주변에 전기장이 생기고 이 전기장이 전기력을 만든다. 전하가 움직이면 주위에 자기장이 생긴다. 양전하 음전하가 가만히 있으면 전기장이 생기고 움직이면 자기장이 발생한다. 전기장과 자기장도 시간에 따라 바꿀 수 있는데 자기장을 움직이면 전기장이 만들어지는 것을 발견한 최초의 사람이 패러데이다. 그는 자석이 움직였을 때 전기가 만들어 진다는 사실을 알아냈다. 페러데이는 전기 발생 원리 뿐 아니라 전기력선과 자기력선을 이용하여 효과적으로 설명도했다.
건전지는 아연이 음극이고 구리판이 양극이다. 아연이 녹으면서 이온이 이동하여 전자를 만들고 양극인 구리판으로 이동하여 전기가 통하는 원리이다.

2.전기

전기는 번개 전 (電) 기운 기(氣)를 쓰고 물질 안에 있는 전자 또는 공간에 있는 자유 전자나 이온들의 움직임 때문에 생기는 에너지를 말한다.  종류는 음전기와 양전기 두 가지가 있는데, 같은 종류의 전기는 밀어 내고 다른 종류의 전기는 끌어당기는 힘이 있다.
전자의 어원은 호박을 의미하는 희랍어 `elektron`에서 유래했다. 호박을 문지르면 호박이 가벼운 물체를 끌어당기는 현상에서 전기를 발견했기 때문이다. 전기(電氣)  Electricity는 그리스어로 일렉트론(Electron), 즉 호박이라는 보석에서 유래했다.
우주에 존재하는 모든 것은 원자로 이루어졌다. 원자는 핵이 있고 그 주위에 전자들이 구름처럼 퍼져 있다. 원자핵은 양성자와 중성자로 구성됐다.  양성자는 플러스  전자는  마이너스로 반대 성질이어서  전기력이 생긴다.
전기력이 약한 전자들은 외부의 충격으로 튕겨져 나와 한쪽 방향으로 움직이면서  전자의 흐름이 된 것이 전기다.
전기는  에너지의 이동으로 설명한다. 금속 안에서 전자는 느리게 움직이지만  에너지는 빛의 속도로  전달한다.  따라서 도선에서 전기는 움직이기 보다 진동을 통해 옆의 전자에 에너지를 전달하는 것으로 이해한다. 마치 파도와 같이 물이 전체가 움직이기 보다 파동이 전달되는 것과 같다. 또 촘촘한 구슬 한쪽을  때리면 마지막 구슬이  떨어지는 원리로도 설명한다. 수도를 틀면 물이 나오는 원리로도 이해한다.
그리드는 전력망, 전력인프라 등을 포괄적으로 이르는 말이다. 우리 집의 전자기기부터 콘센트, 전선과 변압기, 전주와 배전선, 변전소, 송전선로, 송전탑, 발전소 등이 모두 그리드를 구성하는 요소다. 전기는 생산과 소비가 조화를 이뤄야 한다. 그렇지 않으면 전기공급이 원활히 이뤄질 수 없다. 우리나라의 경우 매번 전력거래소에서 수요예측을 하고, 전기를 생산하는 가격이 저렴한 발전기부터 가동해 필요한만큼의 전기를 생산하는 전력시장을 운영한다.
전기관련 의문점
문:전기가 자유전자의 흐름이라면 코일 안에 있던 자유전자가 전선을 통해 흘러가 버리면 그 다음은 어디서 채워지나?
답:흘러가 소멸된다는 개념은 잘못되었다. 자유전자는 에너지를 전달하는 매개체이다. 전선에서 자유전자의 손실이 있을 수 있는데 이는 구리선에 피복을 입히거나 알류미늄 전선을 특수처리하여 손실을 최소화 할 수 있도록 제작한다.
문:발전소에서 만들어진 A라는 자유전자가 가정집까지 같은 A라는 전자가 이동하는가?
답:발전소에서 생성된 전자가 전선을 통해 흘러가면, 회로 내의 다른 자유 전자들이 그 자리를 채워 계속해서 전류가 흐르게 된다. 실제 전자의 전선 내 이동 속도는 초당 1mm로 느리다. 생산된 전기 에너지는 전자의 이동 속도와 무관하게 빛의 속도로 빠르게 전달한다.

3. 교류와 직류

전류는 자유전자가 마이너스 극에서 플러스 극으로 이동하는 현상이다. 극성이 바뀌지 않고 한 방향으로 계속 흐르는 것을 직류라고 하고 플러스 마이너스가 주기적으로 바뀌는 전류를 교류라고 한다. 우리 가정에 들어오는 전기는 1초에 60번 바뀐다. 19세기 말 에디슨은 직류 전송을 테슬라는 교류전송 방식을 주장했다. 직류는 전력 손실이 적은 대신 원거리로 보내기가 어렵고 승압하기도 어렵다. 반대로 교류는 승압을 자유롭게 할 수 있어 원거리 송식이 유리했다. 따라서 직류 전송을 하려면 직류 전기를 생산하는 발전소를 지역별로 여러개 만들어야 한다. 교류는 터빈을 돌려 교류 전기를 만들어 승압한 후 원거리 지역으로 송전이 가능했다. 교류전류를 이해하기 위하여 여러가지 비유를 든다. 선풍기를 왼쪽에서 쏘이다가 오른쪽에서 쏘이는 방식으로 설명하기 도한다. 또한 긴 끈을 나무에 걸고 오늘 손으로 당겼다 왼 손으로 당겼다를 반복하는 형태로 설명하기도 한다. 우리 가정에 들어오는 교류 전류인데 콘센트는 2개의 선이 있는 단상이라고 한다. 한개는 접지선이고 한 개에 교류 전류가 들어오는데 전류가 계속 왔다 갔다 한다고 볼 수 있다.

4.자기

자기는  자석 자( 磁 )기운 기 (氣)를 쓴다.  자기력은 쇠붙이를 끌어당기거나 남북을 가리키는 등 자석이 갖는 작용이나 성질을  말한다.
자기도 에너지(energy)의 한 형태로 자석과 자석의 사이나 자석과 전류(電流)와의 사이에 작용하는 힘의 근원이다
자기  magnetic은 1630년대에는 비유적인 의미로 "매력의 힘을 가진" 의미로 사용했다. 이는 라틴어 magneticus 에서 유래했다. 전자들이 회전(자전)하기 때문에 생기는 것이  자기장이다. N,S극은 전자의 회전 축으로 정한다.
전기장과 자기장이 왜 생기는지는 상대론적으로  전자가  플러스 전하쪽을 보면서  움직이기 때문으로 설명한다.

5.자석

전자의 스핀을 한방향으로 정렬하게 만들면 자석이 된다. 자석을 만드는 방법은 네오디움과 철과 붕소를 2대14대1로 섞으면  자석을 띤다. 네오디움 금속이  전자의 스핀을  한방향으로 정렬하게 만든다.  자력은  N극에서 나와서 S극으로 들어간다. N극에서 나오는 힘과 S극의 당기는 힘이 만나 서로 끌어당긴다. 철에 알루미늄 니켈 코발트를 썪은 것이 막대자석이다. 코발트가 고가여서 붕소를 넣는다.  지금까지 이보다 센자석은 없다한다.

6.전도

철, 구리와 같은 금속은 저항이 작아 비교적 낮은 전압에서 전류가 잘 흐른다. 이러한 물질들을 도체라고 부른다. 이런 전류의 전달을 전도라한다.  금속이 전도가 잘되는  이유는  금속 결합이라는 독특한 방식으로 결합하여 결정을 이루기 때문이다. 원자가 전자를 내놓고 원소 자체는 양이온이 된다. 원자핵의 속박으로부터 풀려난 전자들은 자유 전자가 되며, 금속의 양이온 사이를 자유롭게 이동한다.  금속 결정에 전류를 흘리면, 자유전자들 덕분에 전기 전도도가 높아진다. 역시 높은 열전도도 또한 자유전자 때문이다. 자유전자가 열에너지를 전달해주는 매개체이다.

7.초전도

초전도(superconductivity)는 임계 온도 이하의 초저온에서 금속, 합금, 반도체 또는 유기 화합물 등의 전기 저항이 갑자기 없어져 전류가 장애 없이 흐르는 현상이다.  초전도체는 초고속 자기부상열차, 초고속 수퍼컴퓨터 개발 등 통신분야와 컴퓨터개발에서 획기적인 신소재로 각광받고 있다. 병원에서 신체 내부를 촬영하여 이상 유무를 진단하는 MRI가 초전도체를 응용한 장비다.

8. 과학자 패러데이 일화

패러데이는 전자기 유도 현상을 최초로 발견한 과학자이다. 어느 날 패러데이는  성경강의를 들으며 곡선과 회전에 대한 영감을 얻었다고한다. 들은 성경은 “이는 만물이 주에게서 나오고 주로 말미암고 주에게로 돌아감이라 영광이 그에게 세세에 있으리로다”(롬 11：36)라는 로마서의 구절이다. 이 구절의 의미는  모든 것이 하나님에게서 나와서 다시 하나님에게로 돌아간다는 뜻이다. 그는 여기에 영감을 얻어  전기와 자기도 그처럼 서로 순환하는 원을 그릴 것이라는  상상을 했다. 그는  자석을 수직으로 세운 다음 자석 주위에 눈에 보이지 않는 힘이 소용돌이치는 곡선을 이룬다고 여겼다. 그는 전류가 자기장을 만들고 전류에 의해 자석이 힘을 받는 것으로부터 자기가 전기를 발생할 수 있다고 믿었고  마침내 1831년 코일 근처로 자석을 움직였을 때 전류가 생기는 것을 발견했다.

9. 전기 발전 역사

세상은 4가지 힘이 있다. 약한 핵력, 강한 핵력, 중력, 전자기력이다. 물질의 가장 작은 단위는 원자이고 주변에 전자가 돌고 있다. 돌아가는 원인은 전기력 때문이다. 원자를 묶어주는 힘, 작동시키는 힘이 전자기력이다. 전자기력은 전기와 자기를 합한 힘을 말한다.
맥스웰은 당시까지 전기적인 모든 현상을 4개의 방정식으로 정리했다. 4개가지 방정식으로 전기와 자기 현상을 다 설명할 수 있다. 그의 방정식에서 점은 방사형으로 나가고 있거나 들어오는 것을 표현한다. 곱하기는 회전하는 모양을 표현한다.
맥스웰의 첫째 방정식은 플러스 전하가 있으면 전기장이 나오고 반대로 마이너스 전하가 있으면 전기장이 들어온다는 것을 표현했다.
맥스웰의 두 번째 방정식은 자기장은 들어오고 나오는 것은 없다는 표현이다. N극과 S극은 분리할 수 없다. 자석은 N극에서 나오면 반드시 S극으로 들어가야 한다. 그리고 시간에 따라 자기장이 변하면 회전하는 방향으로 전기장이 생김을 표현했다.
맥스웰의 네 번째 방정식은 도선에 전류를 흘리면 도선에 회전하는 모양으로 자기장이 생긴다는 표현이다. 그는 전기와 자기를 연립하여 파동방정식을 만들었다. 이 파동 방정식의 속도를 계산했더니 빛의 속도와 같다는 것을 알아냈다. 맥스웰의 네 번째 방정식으로 빛은 전기와 자기가 진동하는 파동이라는 것을 알아냈다. 전기와 자기와 빛의 근원이 같다는 의미이다.
톰슨은 전자를 발견했다. 원자 안에 전자가 들어 있는 모델을 세운 사람은 러더퍼드이다. 그는 가운데 원자핵이 있음을 알았다. 원자핵은 플러스이고 전자는 마이너스이므로 전자가 가만 있으면 빨려 들어가 버린다. 따라서 전자는 항상 움직일 수밖에 없다.
맥스웰 방정식을 바탕으로 만들어 낸 기기들이 있다. 윌리엄 쿡은 나침반으로 문자를 보내는 방법 만들었다. 나침반 2개에 전류를 흘려 문자표를 가리키게 하여 문자를 보낼 수 있게 했다. 그는 전선 5개를 깔고 문자를 보내는 장치를 만들었다.
모르스는 전선 한 개로 보내는 방법을 창안했는데 신호의 길이로 문자를 보냈다. 그레이엄 벨은 소리를 전기로 바꿔 전화를 만들었다. 소리를 전기 신호로 바꾸어서 보내고 다시 소리로 바꾼다. 에디슨은 전기로 전구를 만들었다. 헤르츠는 전기, 자기, 빛의 파동을 이용하여 무선통신을 가능하게 했다. 마르코니는 무선 전화를 만들었다.
플레이밍은 전기가 자기장을 걸었을 때 휘는 것에 착안하여 스위치로 쓸 생각을 하였고 이 생각을 바탕으로 만든 것이 진공관이다. 그리고 전기장의 세기로 증폭도 할 수 있다는 것을 발명했다. 전기를 껐다 켰다 할 수 있는 것에 착안한 진공관을 작게 만든 것이 트랜지스터이다. 쇼클레이, 브라틴, 바딘이 트랜지스터를 만들고 오늘날 발이 세 개 있는 반도체 칩의 효시이다. 발이 세 개 중 2번에 전류를 걸었다 안 걸었다 하면서 전기를 껐다 켰다 할 수 있게 만들었다.

10. 연대별 전기 발전 역사 정리

   BC600년 그리스의 타리스 마찰 정전기 발견     
     AD1600 영국 길버트 지구의 자기 발견     
     AD1729 영국 그레이 도체와 부도체의 발견      
     AD1746 네덜란드 뮈센브루크 전기를 담을 수 있는 라이덴병 발명
      AD1752 미국의 플랭클린 피뢰침의 발명
      AD1780 이탈리아 갈바니 동물전기 
      AD1785 프랑스의 쿨롱 쿨롱의 법칙
      AD1800 이탈리아 볼타 전류와 볼타전지의 발명
      AD1827 독일의 옴 옴의 법칙
      AD1831 영국의 패러데이 전자기 유도 법칙
     AD1840  영국의 줄이 줄의 법칙 발표
     AD1864  영국의 맥스웰이 맥스웰 방적식
     AD1879  미국의 에디슨 백열전구의 발명
     AD1882  미국에서 세계 최초 상업발전소인 뉴욕 발전소 건립
     AD1888  독일의 헤르츠 전자파의 존재 증명
     AD1895 독일 뢴트겐 X선 발견
     AD1897 영국 톰슨 전자의 존재 증명
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