▲ 김영창 아주대 교수

이것은 동전기(current electricity)라고 말하며, 반면 정전기(static electricity)는 전하가 일정한 곳에 쌓여 있다가 일시에 한 물질에서 다른 물질로 이동하는 것을 말한다. 여기에서는 동전기만을 다룬다.

전기를 실용적으로 사용하기 위해서는 회로를 통한 전자의 흐름이 필요하다. 회로라는 것은 전자의 공급원(전지 또는 발전기), 에너지를 소비하는 장치(전구) 그리고 전자를 공급원에서 전구를 통하여 공급원까지 돌아오게 도체(전선)로 이루어진다.

다음 그림의 간단한 회로에서 보는 바와 같이 전지는 전자를 전선을 통해서 불이 켜지는 전구까지 흐르도록 한다. 그리고 전자는 전기줄을 통해서 전지로 되돌아옴으로써 회로가 완성된다. 전구는 전자를 소비하는 것이 아니고 단지 전자가 전구 내의 물질(백열등의 경우, 텅스텐 필라멘트)을 통해서 흐름으로써 전구에 불이 켜지게 되는 것이다.

전자가 도체를 통해서 흐르는 율(rate)을 전류(current, Coulomb/sec)라 하고, 이를 측정하는 단위는 암페어(A, Ampere, Amps)이다. 1 쿨롱의 전하가 1 초 동안 흘렀다면 1 암페어라고 한다. 도체를 통한 전자의 흐름은 호스를 따라 흐르는 물의 흐름에 비유할 수 있는데, 이 흐름의 율은 1 초 당 몇 리터 등으로 표현될 수 있다.

이 율에 영향을 주는 두 가지 인자가 있는데, 하나는 전자가 흐르도록 능력을 주는 전압(potential)이고 다른 하나는 전자가 흐르는 것을 방해하는 도체의 저항이다. 전압의 측정 단위는 볼트(V: volt)이다.

전압이 높을수록 전자가 많이 흐른다(즉 전류가 커진다). 따라서 전압은 호스 내의 압력과 같은 것이다. 저항은 전자의 흐름을 방해하는 것으로서 옴(Ohm, Ω)으로 측정된다.

도체 내의 저항이 클수록 전자의 흐름은 작아진다. 물에 비유하면 옴은 호스 내의 물의 흐름을 방해하는 마찰이나 막힘과 같은 것이다. 옴의 법칙으로 알려진 아래의 관계식에서 보는 바와 같이 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다.

전류(암페어) = 전압(볼트)/저항(옴)

이는 전압과 저항을 같은 비율로 증가시키면 동일한 전류가 흐르도록 할 수 있음을 의미한다. 저항을 변동하지 않고 전압을 증가시키면 전류가 증가한다. 반대로, 전압을 그대로 두고 저항을 증가시키면 전류가 감소한다.

전압은 전기의 용도에 따라 변화한다. 높은 전압은 전기를 장거리로 전송하는 데 사용되고, 낮은 전압은 가전제품이나 사무기기 등에 전기를 공급하는 데 쓰인다.

교류인 경우, 전압은 변압기를 사용해서 필요한 전압으로 변환시킬 수 있다. 변압기는 1차 측과 2차 측의 권선(winding)의 수를 서로 다르게 함으로써 필요한 전압으로 변환시킬 수 있다.

대부분의 미국 가정에서 사용되는 가전기기는 110V에서 작동한다. 전기 드라이어(dryer)나 전기 오븐과 같이 전기를 많이 소모하는 가전기기는 더 높은 전압인 220V를 시용하기도 한다.

미국에서 전력회사로부터 120/240V로 전기를 공급받는 경우, “120/240 V” 소비자라고 한다. 가정에 공급되는 전압은 120V임에 비해 가전기기는 110V로 사용된다. 이런 110V 기기에 대해 120V로 공급하는 것은 옥내 배선에서 손실로 인해 전압이 감소하기 때문에 이를 감안하여 위해 공급전압을 조금 높이기 때문이다.

일반용이나 산업용 소비자는 종종 480V 또는 더 높은 전압에서 작동하는 기기를 사용한다. 전기사용자의 소비자 종별(customer class)을 결정할 때에는 주로 전류의 크기를 사용한다. 소비자 종별 전압은 국가마다 다르다.

전기는 어떻게 생산되는가?=전자가 흐르기 위해서는 에너지가 필요하다. 이 에너지는 화학적 에너지나 전자기적 에너지일 수 있다. 전지나 연료전지(fuel cell)는 화학적 에너지를 이용하여 전자를 이동시킨다. 전지는 전기를 이용하여 충전을 한 후에 저장된 에너지를 이용하여 전자를 이동하도록 하는 장치이고, 연료전지는 수소, 메탄, 에타놀 등을 연료로 하여 전기를 발생시키는 장치이다. 에타놀을 이용한 연료전지의 예가 음주측정장치이다.

알코홀의 농도에 따라 발생되는 전압의 크기기 달라지는 것을 이용하는 것이다. 전지나 연료전지는 3개의 구성요소 즉 2개의 전극(양극과 음극)과 전해질로 이루어진다. 전해질은 전극과 반응해서 산화물을 생성하는데 이 과정에서 한쪽 전극(음극)에는 음전하가 충전되고, 다른 전극(양극)에는 양전하가 충전된다. 두 전극을 연결하여 회로를 구성하면 두 전극 사이의 전압의 차이로 인해 전류가 흐른다.

■전기용어
전류 : 전자 흐름의 율(rate)
암페어 : 전류의 측정 단위
전압 : 전자를 움직이게 하는 힘(에너지)
볼트 : 전압의 측정 단위
킬로 볼트 : 전압의 측정단위, 1000 볼트
저항 : 전류의 흐름을 변화하는 임피던스의 강도
옴 : 저항의 측정 단위
변압기 : 전압을 변환하는 장치

전하(charge)=전하는 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양이다. 특히 공간에 있는 가상의 점이 갖는 전하를 점전하라고 하고, 전하의 양을 전하량이라고 한다. 국제 단위계(SI)단위는 쿨롱(Coulomb)이며 기호는 C이다. 1 쿨롱은 6.24×1018 개의 전자들에 의해 운송되는 전기의 양으로서 한 개가 갖는 전하량은 1.61 ×10-19 이다. 하나의 전자가 갖는 전하량은 너무 작기 때문에 실제로 전하량을 측정하는 SI 단위인 C는 6.24×1018개의 전자가 한꺼번에 이동하는 전하량을 사용한다.

전압=전자는 어떤 에너지가 회로를 통하여 흐르도록 밀어주지 않으면 흐를 수 없으며 이 밀어주는 것을 전압이라는 것으로써 표시한다. 전압은 단위 전하(1 쿨롱)에 주어지는 에너지이다. 어떤 곳의 전압이 1 volt라는 것은 1 쿨롱의 전하를 0 volt의 지점에서 그 곳까지 이동시키는 데에 1 Joule의 에너지가 필요하다는 것을 뜻한다. 전압은 항상 상대적으로 표현된다. 예를 들어 12V라고 하는 것은 +극의 전압이 -극의 것보다 12V 만큼 더 높다는 뜻이다. 산의 높이를 표시할 때 해면을 기준으로 하는 것과 같이 전압의 기준점은 보통 지표면의 것으로 한다. 12 V의 battery는 1 쿨롱의 전하에 12 Joule의 에너지를 준다. 전압이라는 것이 의미를 갖는 것은 전하가 실제로 움직여야 한다는 것을 뜻하기보다는 전하가 일을 할 수 있는 능력을 표현한다고 보아야 한다. 전압은 전위차(potential), 기전력이라고도 한다.

에너지의 여러 가지 형태=화학에너지는 2개 이상의 원자나 분자가 화합물을 형성하기 위해 결합함으로써 생기는 에너지를 말한다. 전기에너지는 전자의 흐름과 관련된 에너지. 전자기에너지는 가시광선, 적외선, 자외선, X-선, 감마선, 마이크로파 등의 전자기적 방사(electromagnetic radiation)와 관련된 에너지. 기계에너지는 무게를 들어 올리는 데 사용될 수 있는 에너지를 말한다. 원자력에너지는 우라늄과 같은 원자가 분열을 할 때에 방출되는 에너지를 말하며, 열에너지는 원자나 분자의 운동에 의해 발생하는 에너지를 말한다.

전기에너지는 쉽게 이동하거나 다른 유용한 형태로 변환시킬 수 있기 때문에 다른 에너지에 비해 탁월한 가치를 가지고 있다. 전기에너지는 전동기를 통해서 기계에너지로, 전자오븐을 통해서 전자기에너지로, 전열기를 통해서 열에너지로 변환될 수 있다.

에너지=일을 할 수 있는 능력을 말하며 Joule 또는 Btu로 나타낸다. 1 줄(Joule)이란 1 kG의 물체를 1 m 만큼 이동시키는데 필요한 에너지의 량이다. 에너지는 저장된에너지(위치에너지)와 작용하는 에너지(운동에너지)로 구분할 수 있다.

칼로리=칼로리(영어: calorie)는 에너지의 단위로, 온도가 다른 물체 사이에 전해지는 에너지의 양이다. 즉 물질의 온도를 높이는 데 소요되는 열의 양이다. 라틴어의 '"열"을 의미하는 단어인 "calor"에서 유래하였다. 칼로리 단위의 기호는 cal, kcal(1000 cal)을 쓴다. 칼로리는 “물 1그램을 1°C 올리는 데 필요한 열량이나, 물의 비열이 온도에 따라 달라지기 때문에 정확하게는 "1 기압 하에서 14.5℃의 물 1 그램을 15.5℃까지 올리는 데 필요한 열량"이다. 1 칼로리는 4.186 J(줄) 이다. 1948년의 국제도량형총회에서 칼로리를 가능한 한 사용하지 말고 사용할 경우에는 줄(J)을 병기할 것을 결의했다. 에너지, 열량의 국제 단위계(SI)의 표준 단위는 줄이다. 1 kcal=3.97 Btu=4186 Joules=860 kcal. Btu(British Thermal Unit)는 1 파운드(lb)의 순수한 물을 온도 60F에서 70F로 올리는데 필요한 에너지이다.

Power(일률)=단위 시간 당 에너지가 생산되거나 사용되는 율(rate)를 나타내며 Joule/sec 또는 Btu/H 등으로 나타낸다. 물리학에서 일률(기호 P)은 단위시간당 일의 양이다. 이것은 에너지의 흐름으로 생각될 수 있고, 계(system)에서 에너지 변화율과 등가이다. 일률의 단위는 에너지를 시간으로 나눈 값이다. SI 단위계에서 와트(W)로 표시하고 시간당 줄과 같다. 기타 단위로는 영국 마력(HP), 미터 마력(프랑스 마력, PS), Cheval Vapeur(CV)가 있다. 1 영국 마력(HP)은 745.7W이다. 1 미터 마력(PS)은 735.5W이며 CV와 같은 값이다.

전력(electrical power)과 전력량(electrical energy)=전력 1 watt란 1 Joule의 에너지를 1초 동안 사용하는 율을 나타낸다. 전력량 1 watthour란 1 watt의 크기로 1시간 동안 사용한 에너지를 나타낸다. Wh는 실용적으로 사용하기에는 너무 작아서 kWh를 주로 사용한다.