[스크랩] 알기쉬운 전기의 원리

전기의 흐름은 물의 흐름과 매우 비슷하다. 그래서 흔히 물의 흐름에 비유해서 설명하는 경우가 많다. 두 개의 물탱크 A와 B를 연결해서 A에 들어있는 물을 파이프 를 통해 B로 흘려넣는다고 하자. 파이프의 콕을 열면 수위가 높은 탱크 A로부터 수위가 낮은 탱 크 B로 물이 흐른다. 그러나 물은 양쪽탱크의 수위가 같아지면 더 이상 흐르지 않게 된다. 이처럼 물을 흐르게 하려는 힘은 A의 수위와 B 의 수위차 즉 '수압' 때문이다. 수압이 높을수록 흐르는 물은 힘이 세고 양도 많아진다. 전기의 경우도 이와 마찬가지라고 할 수 있 다. " (+)전기를 가진 금속구 A와 (-)전기를 가진 금속구 B를 도선으로 연결하면 B의 전자가 A로 이동한다. 그러나 양쪽의 전자의 양이 같아지면 전자의 이동은 중지된다. 전기의 양을 전하(電 荷)라고 부르는데, 단위는 클롱(기호는 C)으로 표시한다. 1쿨롱은 624억의 1억 배 개의 전자의 전기량에 상당한다. 앞서의 물탱크의 비유에서 수위(水位)에 해당하는 것을 전기쪽 에서는 전위(電位)라고 한다. 그림에서 보면 금속구 A의 전위는 B의 전위보다 높아져 있다. 전위의 단위로는 볼트(기호는 V)가 사용된다. 물탱크에서 수위의 기준으로 삼은 것은 탱크의 밑바닥, 그러나 전위의 기준은 대지 의 전위를 0볼트라고 보아서 정하고 있다. 수위간의 차이를 수위차라 하듯이 전위간의 차이를 전위차, 또 는 전압이라고 한다. 따라서 전위차 및 전압의 단위도 볼트이다. 　 물이 흐르는 양은 매초 몇 m3 로 표시하지만 전 류의 크기는 매초 몇 쿨롱의 전하가 이동했는가로 표시한다. 매초 1쿨롱의 전하가 이동할 때 이것을 1암페어(기호는 A)의 전류라고 한 다. 물탱크에 있어서는 파이프의 조건도 수량(水量)에 관계된다. 파이프가 가늘면 물이 흐르기 어렵고 당연히 수량도 적어진다. 또 파이프가 길거나 파이프 안쪽이 평탄하지 않고 굴곡이 심할 경우 물의 흐름은 저항을 받아 쉽게 흐를 수 없을 것이다. 전기의 경우도 이와 비슷해서 도선의 굵기, 길이, 재질에 따라서 흐르는 전기의 양이 변한다. 이렇 게 전기가 흐르기 어렵게 되는 정도를 전기저항, 또는 단순히 저항(단위는 오옴, 기호는 Ω)이라고 한다.

전류, 전압, 전기저항을 하나의 관계로 정립시킨 저 유명한 오 옴의 법칙이라는 것이 있다. 　 전지에 꼬마 전구를 연결해 놓은 그림을 참조하면 이해가 빠를 것이다. 전지 1개에 전구 2개를 연결한 경우가 A, 같은 전구를 1개만 연결한 경우가 B, 그리고 전지 2개에 전구 1개를 연결한 경우를 C라고 해 보 자. 전기의 밝기는 당연히 A보다도 B, B보다도 C의 순서로 밝아진 다. 이러한 관계도 물의 흐름에 비유하면 이해가 빠를 것이다. 즉 물탱크에 연결한 파이프를 타고 흐르는 물은 파이프에 걸리는 수압이 높을수록 양이 많아진다는 점이다. 만약 파이프가 가늘어서 물의 흐 름에 대한 저항이 클수록 물의 양은 적어지게 되는 것이다. 전류도 이와 마찬가지. 즉 도체를 흐르는 전류의 크기는 도체 의 양끝에 가해진 전압에 비례하고, 그 도체의 저항에 반비례한다. 이것이 바로 오옴의 법칙이다. 1827년 독일에서 오옴(Ohm)이란 사람이 실험에 의해서 발견 한 것이다. 이 법칙은 전기의 기본법칙으로 아주 중요한 법칙이다. 이 법칙 만 이해하고 있으면 전류, 전압에 관한 한 풀리지 않는 문제가 없다. 반드시 기억해 두어야 한다. 다시 한 번 정리해 보면, 도체에 가해지는 전압 V를 볼트(V), 도체의 저항 R을 오옴Ω), 흐르는 전류 I를 암페어(A)란 단 위로 하면 이 법칙은 다음과 같은 식이 된다. 전류(A) = 전 압 (V) --- ------ 저 항 (Ω)   I = V -- R 이 관계는 다음과 같이 쓸 수도 있는데, 기억하기에는 오히려 이편이 쉬울 것이다. 전압(V) = 전류(A) X S 저항(Ω) [ V=IR ]

이제는 샐러리맨 중에도 오너 드라이버가 많아졌다. 아침에 차 를 몰고 출근하는 코스는 대개 정해져 있다. 회사까지 가는 길이 여러코스가 있을 경우, 되도록 빠른 길을 택하는 것이 보통이 다. 그러나 차가 밀리는 도로라면 다소 돌아가는 한이 있더라도 한 가한 도로를 택하는 편이 시간단축이 될 것이다. 근무가 끝나면 다시 집으로 돌아오게 된다. 그러나 돌아가는 길 은 반드시 출근할 때의 코스와 같지는 않을 것이다. 도로의 조건에 따라서 편하고 빠른 길을 택할 것이기 때문이다. 그러나 귀착점은 반 드시 출발점인 자기 집이다. 이와 마찬가지로 전기도 흐르는 길이 있다. 전기를 내보내는 소 스 즉 전원에서 흐르기 시작하여 도중에서 작업을 하고 다시 출발점인 전원으로 되돌아 오는 것이다. 이렇게 전기가 한바퀴 돌아서 다시 출 발점으로 되돌아오는 순환회선을 루프(回路)라고 한다. 도로에는 포장된 넓은 길도 있고, 좁고 울퉁불퉁한 골목길도 있 듯이, 전기에도 이와 비슷한 현상이 있다. 이것이 바로 저항(抵抗)이다. 전원에서 나온 전기는 전구나 라디오, 세탁기, 냉장고 등 전기 기구를 만나 이들을 작동하게 하는 작업을 하는데, 이 때 전기를 사용하여 작동하는 물체를 부하(負荷)라고 한다. 이렇게 전원에서 나와 부하를 거쳐 다시 전원으로 돌아가는 루프를 전기회로라고 한다. 전원이란 구체적으로 전지나 발전기를 의미한다. 우리는 흔히 '전기를 쓴다'는 식으로 표현한다. 그 때문에 전원 에서 나온 전기가 전기기구를 작동시키게 되면 점점 전류가 적어져서 전원으로 돌아간다고 생각하는 사람도 있을 것이다. 그러나 전원에 서 나간 전류의 크기와 전원으로 돌아오는 전류의 크기는 항상 같다. 즉 회로의 도중에서 만들어지거나 소멸하지 않는다는 것이 전류의 중요한 성 질이다. 전기회로를 구성하는 요소로서 이미 전지, 저항등이 나왔지만, 실제의 회로에는 이밖에도 스위치, 콘덴서, 코일 등 여러 가지가 있다. 　 이들을 능률적으로 나타내기 위해 회로도를 그린다. 이 회로도 를 결선도(結線圖)라고도 하는데, 여기에 나오는 주요한 기호는 반드시 기억해 두는 것이 좋다.

과학과목의 전기 문제에서는 오옴의 법칙을 사용해서 전류나 전압이 값을 구하라는 문제가 많다. 이때 2개 이상의 저항이 연결된 경우가 많아 문제가 조금 복잡하게 느껴지는 수가 흔히 있다. 실제의 회로에서도 여러개의 저항이 복잡하게 연결되어 있는 경우가 대부분이다. 이렇게 여러개의 저항을 연결하는데는 직렬연결(直列連結)과 병렬연결(竝列連結)이란 두가지 연결방법이 있다. 이 경우 여러개의 저항을 연결했지만 실제로는하나의 저항과 같은 역할을 하기 때문에 이 하 나의 저항으로 환산한 값을 합성저항(合成抵抗)이라고 한다. 　 2개의 저항을 직렬연결하면, 저항을 2개 거쳐야 하는 결과가 되 어 저항이 1개일 때보다도 전류가 통하기 어렵게된다. 따라서 합성저항의 값은 저항이 하나일 때보다도 늘어나 2개의 저항을 합한 것과 같 다. 반면 2개의 저항을 병렬연결하면 하나의 전류가 양쪽으로 나뉘 어 통과하는 결가가 되므로 전류의 흐름도 그만큼 쉬어진다. 그 때문에 합성저항의 값도 저항이 1개일 때보다 감소하여 두 저항의 역 수의 합이 합성저항의 역수가 된다. 얼른 이해하기가 어려우면 다음의 공식을 보면 금방 알 수 있다. 즉 두 저항을 R1(Ω), R2(Ω)라고 하면, 그 합성저항의 값 R(Ω)은 다음 공식으로 나타낸다. 직렬연결 R = R1+ R2   1 1 1 병렬연결 --- = --- + ---   R R1 R2

과학 교과서나 참고서를 보면, 전지가 곧잘 등장한다. 전지는 화학반응에 의해 일정한 전위차를 만들어 전류를 공급하도록 되어 있다. 전류가 흐르고 있지 않을 때 전지 양극간의 전위차를 전지의 기전력이라고 한다. 전지의 연결 방법에는 다음 3가지가 있다. (1) 직렬연결 전압을 높여서 사용하여야 할 때 이 직렬접속이 이용된다. 한 전지의 (+)극을 다른 전지의 (-)극과 연결하는 방법이 직렬연결, 실제로는 전지를 일렬로 나란히 묶으면 직렬연결이 된다. 이 때 전 체의 기전력은 하나하나 전지의 기전력의 합이 된다. 즉 1.5V짜리 건전지 3개를 직렬로 연결하면 1개의 기전력 1.5V의 3배인 4.5V가 된 다. (2) 병렬연결 각 전지의 (+)극은 (+)극끼리, (-)극은 (-)극끼리 같은 극을 공 통으로 연결하는 것을 병렬연결이라고 한다. 이때의 기전력은 1개의 기전력과 같지만, 전지의 수명은 전지의 개수만큼 늘어나게 된다. 즉 전지를 사용할 수 있는 시간은 전지의 수에 비례한다. (3) 직병렬연결 직렬연결과 병렬연결의 장점을 살린 연결방법으로 혼합연결이 라고 부르기도 한다. 이것은 몇 개의 전지를 직렬로 연결한 다음, 다시 병렬로 연결하는 방법이다. 전체의 기전력은 직렬연결한 전지의 기전력 과 같고, 전지의 수명은 병렬연결의 수에 비례한다. 가령 1.5V짜리 건전지 4개를 두 개씩 병렬로 연결한 것을 직렬로 연결할 때 전압은 3V, 사 용할 때 전압은 3V, 사용 시간은 2개분과 같게 된다. 전지에서 또하나 알아두어야 할 것 중에 내부저항(內部抵抗)이 라는 것이 있다. 전지에서 전류를 사용하면 내부저항에 의해 전압강하 현상이 일어난다. 따라서 전지의 단자에 나타나는 전압 V는 V = (기전력)-(전류)×(전지의 내부저항) 으로 된다. 또한 건전지나 축전지의 내부저항은 0.1오옴 정도 또는 그 이하이다.

좀 복잡하지만 자주 출제되는 문제가 있다. 그림에서 보는 회 로의 합성저항 R 전류 I, I1, I2, 전압V1, V2 를 구하라는 문제이다. 우선 그림의 합성저항 R은 R2와 R3의 병렬부분의 합성을 먼저 구하고 다음에 R1을 거기에 직렬합성해야 한다. 결과는 R = R1 + (R2 X R3) / (R2 + R3) 전류 I는 I = V/R 로 구한 다. I1, I2는 R2와 R3의 반비례로 나누어 지므로 I1 = I X (R3) / (R2 + R3) , I2 = I X (R2) / (R2 + R3)로 구한다. 전압 V1, V2는 V1=IR1, V2=V-V1이 된다. 한 문제 더 풀어보기로 하자. 　 이 그림에서는 합성저항 R은 R1과 R2의 직렬부분의 합성을 먼저 구하고 다음에 R3를 거기에 병렬합성한다. 결과는 　 R = (R1+R2)R3 / (R1+R2)+R3 이 된다. 전류 I, I1, I2는 I= V/R, I1=V/(R1+R2), I2=V/R3 로 구한다. 전압 V1, V2는 V1=I1·R1, V2=I1·R2(또는 V2=V-V1)로 구한다.

포장이 잘된 길, 이를테면 고속도로를 차로 달리면 흔들림도 적 고 타고 있는 사람도 편안한 기분이 든다. 그러나 포장이 되어 있지 않은 울퉁불퉁한 시골길이라면, 흔들림 때문에 타고 있는 사람은 몇 배나 피로하고 체력도 많이 소모된다. 조금 더운 날씨라면 땀도 많이 날 것이다. 전기의 경우도 이와 비슷해서 전기가 흐르기 쉬운 동선 속을 흐 를 때는 거의 열이 나지 않으나 전기저항이 많은 니크롬선 등의 속을 흐르면 열이 발생한다. 저항이 있는 도체 속을 흐르는 전류는 모래를 채운 드럼통에 물 을 부었을 때 물의 흐름과 비슷하다. 모래 위에 부어진 물은 중력을 받아 내려오기는 하지만 모래 때문에 진로가 구부러지든가 마찰을 받던 가 하는 것이다. 물은 높은 곳에 있을 때는 위치 에너지를 갖지만, 모래와 마찰 하는 동안 열 에너지로 변해 버린다. 도체 속을 이동하는 전자도 마찬가지. 즉, 도체를 구성하고 있 는 금속원자와 충돌해서 금속원자로 하여금 불규칙적인 진동(열진동)이 일어나도록 만든다. 　 이렇게 보면 열이라는 것도 실은 물체의 원자나 분자의 불규칙 적인 운동에 불과할 뿐이다. 이처럼 전류가 흐름으로써 도체에 발생하는 열을 주울 열이라 고 한다. 전기다리미, 백열전구 등은 바로 이 주울 열을 이용한 것이다. 주울열이란 영국의 과학자의 이름. 그는 1840년 이 발열량에 대 한 상세한 실험끝에 하나의 법칙을 발견했다. 그에 따르면 도체에 전류를 흘렸을 때 발생하는 열량은 전류의 제곱과 도체의 저항의 곱 에 비례한다는 것이다. 이것이 바로 주울의 법칙이다. 이것을 공식으로 써 보자. 즉 저항 R(Ω)의 도체에 전압 V(V)를 가하고 흐르는 전류를 I(A)라 하면 t초간에 발행하는 열량 Q는 Q = I2·R·t(주울) 또는 오옴의 법칙으로 계산하면 Q = I·(I·R)·t = I·V·t(주 울) 이라고 나타낼 수 있다. 여기서 Q의 단위는 주울. 주울의 업적 을 가려 쓰이게 되었는데, 작업이나 열량의 단위로 쓰이고 있다. 전열기에 전류를 흘리면 니크롬선은 뜨거워지지만 코드는 뜨거 워지지 않는다. 왜 그럴까? 이것이 니크롬선 쪽이 코드보다 얼씬 저항이 크기 때문이다.

흔히 500와트의 전열기라던가 30W의 형광등이란 식으로 표현 한다. 그렇다면 이 와트란 정확히 무엇을 나타내는 단위일까. 와트란 전력의 단위라고 학교에서 배운 바있 다. 전원에서 나온 전하는 높은 에너지를 가지 고 있다. 이 전하(전자)는 전류로서 회로를 움직여 여러 가지 형태로 에너지를 쏟아 낸 다음, 에너지가 저하되어 전원으로 돌아간다. 전기가 열, 빛, 힘이라고 하는 여러 가지 형 태의 일을 해주는 것도 이 때문이다. 그런데 우리 인간 사회에서도 저 사람은 일을 잘한다든가, 능력 이 있다는 식으로 말한다. 그것은 어떤 작업을 단시간에 해낼 수 있는 사람을 가리키는 경우가 많다. 전기의 경우도 작업 능률이라는 점에서 생각해 볼 수 있다. 일 반적으로 1초간에 하는 작업을 일의 능률이라고 하듯이 전류가 1초간에 하는 일 즉, 전류의 작업 능률을 전력이라고 한다. 앞에서 전류에 의해 발생하는 열량에 대해서 설명한 바 있다. 도체에 가해지는 전압을 V(V), 전류를 I(A)라고 하면 1초간에 발생하는 열량은 Q=VI ×1 = V·I(주울)였다. 따라서 전기가 1초 동안에 하는 일, 곧 전력을 P라고 하면, P=VI(W)가 된다. 전력의 단위로는 와트(기호는 W) 가 사용된다. 또 전력의 계산식은 전력(W)= 전압(V)×전류(A) 라고 표시한다. 1와트란 전압이 1볼트, 전류가 1암페어일 때의 전력을 말한다. 또 저항을 R(Ω)라하면 오옴의 법칙 V=IR에서 다음과 같이 표시할 수도 있다. P = I2·R = V2 / R(W) 전기가 하는 일의 양은, 전력(1초동안에 하는 일)에다, 일을 한 사건울 곱하면 될 것이다. 이것을 전력량(電力量)이라고 한다. 따라서 전력량은 (전력량)=(전력)×(시간) 이 된다. 전력량의 단위는 와트·시(기호는 Wh)로 표시하는데, 보통은 킬로와트·시(기호는 kWh)가 사용된다. 이것은 1킬로와트의 전력을 1시간 사용했을 때의 전력량이다.

물체에는 금속과 같이 전기가 잘 통하는 것과 플래스틱과 같이 전기가 거의 통하지 않는 것이 있다는 것은 앞 장에서 설명한 바 있다. 또 전기가 잘 통하는 물체를 도체, 전기가 통하기 어려운 물체를 절 연체 또는 부도체라고 한다는 것도 설명했다. 그럼 이번에는 이 도체와 부도체를 마이크로로 관찰해 보 자. 도체와 부도체의 다른 점은 도체 속에는 전기를 운반하는 '짐 꾼'이 있다는 점이다. 금속은 원자가 규칙바르게 열을 지어서 결합된 결정(結晶)으로 되어 있다. 그리고 그림에서 보듯이 금속을 구성하 고 있는 원자 속의 일부 전자는 자유전자라는 상태로 되어 있어서 금속 내를 자유롭게 돌아다닐 수 있는 것이다. 각각의 전자는 정해진 값의 (-)전기 를 가지고 있으므로 자유전자의 움직임에 따라서 전기가 운반되는 것이다. 자유전자가 빠져나간 뒤 금속원자는 양이온이 되어 (+)전기를 가지게 된다. 이들은 서로 단단히 결합되어 규칙 바르게 줄지어 있다. 그리고 열 때문에 진동하게 된다. 금속에 전압을 가하면 그때까지 제멋대로 운동하고 있던 자유 전자는 양이온과 충돌을 반복하면서 전체적으로는 서서히 (+)방향으로 이동한다. 밑의 오른쪽 그림은 이 모습을 나타낸 것이다. 이 전자가 움 직이는 방향과 반대방향이 전류의 방향이다. 　 한편 부도체는 자유전자를 거의 가지고 있지 않다. 그 때문에 밑의 가운데 그림처럼 가해도 전기를 나를 짐군이 없기 때 문에 전기는 흐를 수 없는 것이다. 그러나 비록 도체라도 금속에는 '전기저항'이 있다. 그 이유는 전자가 양이온과 충돌하면 전자의 흐름이 감속되기 때문 이다. 양이온은 끊임없이 열진동을 하고 있는데, 온도가 높아지면 그 만큼 진동도 심해져서 충돌회수가 늘어나게 된다. 즉 금속은 온도가 높아지면 전기 저항도 그만큼 증가하게 되는 것이다. 또 위의 그림처럼 결정 속의 원자가 빠져나가거나, 다른 원자 가 들어오거나 하면 전자의 움직임도 혼란을 일으켜 그것도 전기저항의 원인이 된다.

화제를 바꾸어서 이번에는 자석에 관한 이야기를 해보자. 자석 이 전기에 의해서 일어나는 현상이라는 것을 아는 사람은 드물다. 자석을 맨처음 발견한 것은 중국인. 4,500년 전부터 천연자석 에 대한 지식이 있었고, 3,000년 전쯤에는 나침판가지 만들었다고 한다. 자석끼리도 달라붙지만, 쇠나 니켈, 코발트 등도 끌어당긴다. 자석의 힘은 대단해서 떨어져 있어도 작용한다. 이것은 자석 둘레에, 떨어져 있는 물체에까지 힘을 미치는 공간이 형성되기 때문인데, 이 공 간을 자계(磁界) 또는 자장(磁場)이라고 한다. 지구도 하나의 큰 자석이다. 그 때문에 지구 둘레의 공간에는 자계가 형성되어 있다. 자침이 북을 향하는 것도 바로 이 때문이다. 　 자침이 북을 가리키는 끝을 N극(양극), 남을 가리키는 끝을 S 극(음극)이라 한다. N극끼리, 또는 S극끼리는 서로 밀쳐내고 N극과 S극이 만나면 서로 당긴다는 것은 자석을 가지고 놀아본 경험이 있 는 사람이면 누구나 잘 알 것이다. 이것은 정전기의 전하 사이에 작용하는 힘과 흡사하다. 자계속에서 자침이 N극을 가리키는 방향을 그 점의 자계의 방 향이라고 한다. 자석위에 두꺼운 종이를 놓고, 그 위에 쇳가루를 뿌린 다음, 종 이를 가볍게 두드리면 쇳가루는 아름다운 모양으로 늘어선다. 이러한 쇳가루가 그리는 선을 자력선이라 한다. 그림에서 보듯이 고무자석을 더 작게 끓어도 역시 작은 자석이 된다. 이 사실에서 미루어 볼 때, 자석은 분자 크기 정도의 미소한 자석이 모여서 구성되어 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 미소한 자석 을 분자자석이라고 한다. 보통의 쇠는 이 분자자석이 제멋대로의 방향으로 되어 있으나 자계를 가하면 분자자석은 자계의 방향으로 정렬해서 자석이 되는 것이다.

동화작가로 유명한 안데르센의 친구중에 외르스테드란 물리학 자가 있었다. 이 외르스테드가 1820년에 전기와 자계에 관한 일대 발견을 했다. 그때까지 전기와 자계는 관계가 없는 현상이라고 생각했던 것 이다. 그러나 외르스테드는 자침 위에 바늘과 평행으로 도선을 늘려 전류를 흘리자, 바늘이 흔들리는 것을 발견했다. 전류를 반대로 흘리 자, 이번에는 바늘이 반대방향으로 흔들렸다. 　 그림에서 보듯이 직선인 도선에 전류 I를 흘리면 도선 둘레에 는 동심원 모양의 원형 자계 H가 생긴다. 도선 둘레에 자침을 놓고 자계의 방향을 조사하면 자계의 방향은 오른 나사가 진행하는 방향을 전류의 방향으로 했을 때 나사를 돌리는 방향과 일치한다. 이것이 바로 앙폐르의 오른 나사 법칙이라는 것이다. 도선 둘레의 어느 점에 있어서의 자계의 세기는 전류에 비례하 고, 전류에서 그 점까지의 거리에 반비례한다. 전류가 흐르면 싫든 좋든 반드시 자계가 생기는데, 이러한 현상 은 전기의 가장 기본적인 성질중 하나이다. 이것은 뒤집어 말하면 자계가 있는 곳에는 반드시 전류가 있다는 말이 된다. 또 도선을 원형으로 해서 전류를 흘리면, 그 원형전류가 만드 는 면을 관통해서 자력선이 생겨 자계가 형성된다. 이 경우 자계의 방향은 이번에는 오른나사를 전류의 방향으로 회전시켰을 때, 오른나사 의 진행방향이 된다. 도선을 원통 모양으로 촘촘히 감은 것이 코일인데 이 코일은 솔 레노이드코일이라고도 한다. 여기에 전류를 흘리면 자계가 형성된다. 코일에서도 자계의 방 향은 원형 전류의 경우과 같다. 코일 내부의 자계의 계기 H는 전류I와 코일의 단위 길이에 감은 권수 N에 비례한다. 또한 자계의 방향을 구하기 위해 오른손 법칙을 사용하기도 하 는데,이것은 매우 편리한 방법이다.

이번에는 자계 속을 전류가 흐르면 어떻게 되는가에 대해서 살 펴보자. 두 토막의 레일, 알루미늄 파이프, 자석을 다음과 같이 놓은 다 음, 레일에 전류를 흘리면 알루미늄 파이프는 레일 위에서 움직이기 시작한다. 이것은 알루미늄 파이프에 전류가 흐르면 자계에서 힘 을 받는다는 것을 나타낸다. 자석의 방향을 이리저리 바꾸어 가면서 알루미늄 파이프에 작용하는 힘 F의 방향을 조사해 보면, 항상 전류 I의 방향과 자 계 H의 방향사이에는 직각관계가 있다는 것을 알 수 있다. 이와같이 전류와 자계와의 사이에 작용하는 힘을 전자력이라고 한다. 힘 F의 방향을 정하는데 편리한 플레밍의 왼손법칙이라는 것 이 있다. 위의 그림에서 보는 바와 같이, 왼손의 가운데손가락, 집게손가락, 엄지손가락을 서로 직각이 되게 벌리고, 가운데손가락 을 전류의 방향으로, 집게손가락을 자계의 방향으로 하면 힘의 방향은 엄지손가락이 가리키는 방향이 된다. 이 법칙은 아주 편리한 법칙으로 모터의 회전 방향을 정할 때 등에 필요하다. 　 그럼 전자력은 어째서 발행하는 것일까. 다음 그림은 자석에 의한 자계와 직선전류에 의한 자 계를 겹쳐서 그린 그림이다. 이들의 자계가 합성되면 다음 그림 오른쪽과 같게 된 다. 도선의 왼쪽에서는 양쪽의 자력선이 가해져서 빽빽하게 되고, 오른쪽에서는 양쪽의 자력선이 서로 상쇄되어 드문드문해 진다. 자력선은 고무줄처럼 오무러들려는 성질이 있다. 그 때문에 도선은 자력선이 밀집하고 있는 왼쪽에서 오른쪽 방향으로 힘을 받게 된다. 이것이 자력선의 정체이다. 이 전자력의 크기 F는 자계의 세기 H, 전류의 크기 I, 자계 속 의 도선의 길이 ℓ에 비례한다. 즉, FaIHℓ(a는 비례한다는 것을 나타내는 기호) 전자력은 모터, 전기계기(電氣計器) 등에 이용되는 등 전기응용의 중심이 되고 있다.

자계속을 흐르는 전류가 전자력을 받는 것을 살펴보았다. 이 전 자력을 교묘하게 응용한 것이 모터이다. 모터는 회전력(回轉力)을 발생시키는 기계로, 흔히 전동기(電動機)라고 부르기도 한다. 좀더 학술적으로 말하면 전기적 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 공장이나 가정에서 널리 쓰이고 있는 데, 가전 제품의 90% 이상이 모터의 힘을 빌리고 있을 정도이다. 그런데 이 모터는 발명된 것이 아니라, 기계조작의 실수로 우연 히 발견한 것이다. 1873년 빈에서 세계박람회가 열렸을 때의 이야기이다. 이때 여 러대의 발전기가 전시되어 증기기관으로 그 발전기들을 돌려 발전하고 있었다. 그런데 조수 한사람이 배선을 잘못해서 발전중인 발전기와 정지중인 발전기를 접속해 버렸다. 　 그러자 정지중인 발전기가 갑자기 돌기 시작했던 것이다. 깜짝 놀란 담당자들은 여기에서 힌트를 얻어 모터의 원리를 고안해냈다고 한다. 즉 모터는 발전기와 같은 구조면 된다는 것을 알게 되었던 것이 다. 　 모터에도 여러 가지 종류가 있지만 여기에서는 가장 기본적인 직류모터에 대해서만 살펴보기로 한다. 직류 모터는 그림에서처럼 고정된 자계속에 전기자(電氣子一回轉子라고도 한다)인 코일을 놓고 그 코일에 브러시 즉, 정류자(整流子)를 통해 직류를 흘린다. 그림의 왼쪽에서 전기자 a의 부분에 플레밍의 왼손법칙을 적용 시키면 위 방향으로 힘이 작용한다. 마찬가지의 원리로 전기자 b의 부분에서는 아래쪽으로 힘이 작용하여 전기자는 회전하게 된 다. 가운데 그림에서처럼 전기자가 수직으로 되면 전류는 흐르지 않게 되지만 관성 때문에 전기자는 회전을 계속한다. 전기자가 반회전(半回轉)해서 오른쪽 그림의 위치에 오면 전기 자 a, b부분이 왼쪽 그림과 반대로 된다. 그러나 정류자에 의해 전류가 반대방향으로 흐르기 때문에 전기자는 같은 힘을 받아 회전 을 계속한다. 그런데 실제이 모터에서는 영구자석을 전자석으로 하는 경우 가 많고, 전기자는 철심(鐵心)에 코일을 많이 감아서 만들고 있다.

전류에 의해서 자계가 얻어진다면 반대로 자계에서 전류를 얻 을 수도 있지 않을까. 이런 생각을 갖게 되는 것도 당연한 일이다. 그래서 이런 생각을 바탕으로 끈기있게 실험을 계속한 사람들이 있는데, 영 국의 패러데이, 러시아의 렌쯔, 미국의 헨리같은 과학자들이 대표적인 인물이다. 그래서 전자유도(電子誘導)란 중요한 현상이 이 세 사람에 의 해 거의 같은 시기에 각각 독립적으로 발견되었는데, 그중에서도 1831년에 발표한 패러데이가 가장 빨랐기 때문에 결국은 그의 업적이 되고 말았 다. 다음 그림에서 보듯이, 코일의 양 끝에 검류계를 연결하고 자석 을 코일에 가까이 했다 멀리 했다 하면 검류계의 바늘이 흔들린다. 즉 전기가 흐르고 있는 것이다. 전류의 크기는 자석을 움직이는 속도가 빠 를수록 크고, 전류의 방향은 가까이 할 때와 멀리 할 때 반대가 되며, 또 N극과 S극에서도 반대가 된다. 이러한 현상은 자석을 그대로 둔 채 코일쪽을 움직여도 마찬가지이다. 이번에는 자석 대신 코일로 대체 해보자. 스위치를 달아, 이 코 일에 전류를 넣거나 끊거나 하면, 본래의 코일에도 그 순간만 전류가 흐른다. 그 전류의 방향은 다른 코일에서 전류를 넣을 때와 끊을 때 에 반대가 된다. 　 이처럼 자계의 변화에 의해 도체에 기전력(起電力)이 발생하 는 현상을 전자유도라고 하며 이 기전력을 유도기전력(誘導起電力), 흐르는 전류를 유도전류라고 한다. 유도기전력의 크기에 관해 패러데이는 '유도기전력은 코일을 관통하는 자력선이 변화하는 속도에 비례한다'는 사실을 알아냈다. 이것을 패러데이의 전자유도의 법칙이라고 한다. 이 법칙은 언뜻 보기에는 간단한 것 같지만 매우 중요한 현상 을 나타내는 대법칙이다. 이 법칙이 근거가 되어 발전기나 변압기도 발명할 수 있었던 것이다. 한편 유도기전력의 방향에 대해서는 렌쯔가 '유도기전력은 유 도전류가 만드는 자계가 원래의 자계의 변화를 방해하는 방향으로 발생한다'는 법칙을 밝혀냈다. 이것을 렌쯔의 법칙이라고 한다. 이 법칙에 의해서 코일에 흐르는 유도전류의 방향을 알 수 있게 되었던 것이다.

코일을 관통하는 자력선이 변화하면 유도기전력이 발생해서 유도전류가 흐른다는 것을 알았다. 이번에는 자계 속에서 도선을 움직이면 어떻게 되는지 살펴보자. 그림에서 보듯이 자계 H속에 놓인 U자형 도선위에 길이ℓ의 도 체막대를 양끝을 접속시키고 자계의 방향에 직각으로 속도 v로 움직인다고 하자. PQRS는 하나의 폐회로(閉回路)로 되어 있다. 이 때 도선이 진 행하면 폐회로 내부의 자력선의 수가 변화하므로 패러데이의 전자 유도법칙에 의해 폐회로에 유도기전력이 발생한다. 유도기전력의 크기는 이 폐회로를 관통하는 자력선이 변화속도 에 비례하게 된다. 따라서 회로에 발생하는 유도기전력의 크기 V는 자계의 세기 H, 도선의 길이 ℓ, 도선의 속도v에 비례하게 된다. 즉, VαHℓv (α는 비례표시 기호)로 표시된다. 이때 유도기전력은 렌쯔의 법칙에서 회로를 관통하는 자력선 의 증가를 방해하는 방향 즉 Q→R→S→P의 방향으로 유도전류를 흘리는 것처럼 발생한다. 이 유도전류의 방향을 아는데 편리한 플레밍 의 오른손 법칙이라는 것이 있다. 앞의 그림이 그것이다. 이것은 12항에 나온 전자력의 방향을 결정하는 '플레밍의 왼손 법칙'과 혼동하기 쉬우므로 각별히 주의해서 기억해 둘 필요가 있다. 이 두가지는 왼손과 오른손의 차이 뿐이며 각 손가락이 가리키는 것은 같다. 발전기에서 나온 전기로 모터를 돌리므로 발전기가 더 힘이 세다 - 그래서 발전기에는 오른손 법칙, 모터에는 왼손법칙 - 이렇게 외우고 있 으면 된다. 자계속을 움직이는 도선에 유도전류가 발생하는 현상을 응용 한 것이 '발전기'이다. 아래그림 오른쪽은 직류발전기의 구조를 나타낸 것이다. 자계 속에 있는 전기자(회전자) 코일을 화살표 방향으로 회전시키면 코일에 유도전류가 흐른다. 코일면이 연직면(鉛直面)과 평행이 되는 전 후에서는 코일에 발생하는 유도 전류의 방향이 반대가 된다. 그래서 직류 모터의 경우처럼 정류자(整流子)를 붙이면, 항상 같 은 방향의 전류가 흐르게 되는 것이다.

출처 : 충남전기관리(주)

글쓴이 : 진검승부 원글보기

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