전기 02 > 자동차 전기 기초(전압, 전류, 저항, 오옴의 법칙, 전력)

1. 물질의 구조

      모든 물질은, 그림과 같이 분자(molecule)로 되어 있고, 분자는 100여 종의 서로 다른 원자들의 집합체로 구성되어 있다. 또, 원자(atom)는 그림 I-4와 같이 양(+)의 전기를 가진 원자핵과 음(-)의 전기를 가진 전자로 구성되어 있으며, 원자핵의 주위를 전자들이 돌고 있다. 원자핵(atomic nuclear)은 양(+)의 전기를 띤 양성자 (proton)와 전기를 띠지 않는 중성자(neutron)로 구성되어 있다. 양성자와 전자 1개가 가지는 전기량의 크기는 같으나, 양성자 1개의 질량은 전자보다 1840배 정도 더 무겁다.

                                    물질, 분자 및 원자와의 관계  

                  원자의 구조

 

일반적으로, 물질은 원자핵에 있는 양성자의 수와 전자의 수가 같기 때문에, 양전기와 음전기가 서로 상쇄되어 전기의 성질을 나타내지 않는 중성 상태이다. 그러나 원자 내의 양성자와 전자의 개수에 평형이 깨지면 물질은 전기적 성질을 나타내며, 물질로부터 전자가 나오면 물질은 양전기를 띠고, 반대로 전자가 들어가면 음 전기를 띠게 된다.

 

2. 정전기

   플라스틱판을 옷 등에 마찰시킨 다음 머리에 대면 머리카락이 플라스턱판에 달라붙는다. 이것은 마찰에 의해 플라스틱판이 전기를 띠게 되었기 때문이다. 이런 현상을 대전 현상이라 한다. 이와 같이, 성질이 다른 2개의 물체가 마찰에 의해 발생하는 전기를 마찰 전기 (friction electricity)라 한다. 두 물체가 마찰할 때, 한 물체 중의 전자가 다른 물질로 이동하여 양(+)으로 대전되고, 전자를 받은 물체는 음(-)으로 대전된다. 이와 같이 물체가 전기를 갖는 것을 대전이라 하며, 대전되는 물체를 대전체 (charged body)라 한다. 또, 대전체가 가지는 전기량을 전하(electric charge) 라 한다. 그림 I-6과 같이 대전체가 같은 종류의 전기끼리는 반발하고, 다른 종류의 전기끼리는 끌어당긴다. 대전체에 있는 전기는 물체내에 정지되어 있으므로 정전기 (static electricity)라 하며, 에너지원으로는 사용할 수 없다.

           두 전하 사이에서의 흡인력과 반발력

▶ 패러데이의 정전기 서열 : 임의의 두 개의 물체를 마찰시킬 때 양(+)으로 대전되는 물질과 음(-)으로 대전되는 물질에는 일정한 순서가 있는데, 이것을 패러데이(Faraday)의 정전기 서열이라 한다. 두 개의 물체를 마찰시켰을 때 정전기 서열에서 오른쪽에 있는 물체는 음으로 대전되고, 왼쪽에 있는 물체는 양으로 대전된다.

 

3. 정전기에 관한 쿨롱의 법칙

    두 개의 정전하 사이에는 정전기력 (electrostatic force)이라고 하는 흡인력 또는 반발력이 작용한다. 그림 I-8과 같이 두 개의 정전하 사이에 작용하는 힘의 크기를 나타낸 것이 정전기에 관한 쿨롱의 법칙 (Coulomb's law)으로, 두 전하의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다. 

    정전기에 관한 쿨롱의 법칙

 

4. 정전 유도

   그림과 같이 절연되어 있고, 전기적으로 중성인 도체 A에 음전하를 가진 대전체 B를 접근시키면 도체 A 내의 자유 전자는 B의 음전하에 반발하여, B로 부터 먼 끝에 모이고, B로부터 가까운 끝에는 양전하를 가지게 된다. 이와 같이 도체에 대전체를 접근시켰을 때, 대전체에서 가까운 곳에는 대전체와 다른 종류의 전하가 생기고, 먼 곳에는 같은 종류의 전하가 생기는 현상을 정전 유도(electrostatic induction)라 한다. 정전 유도가 일어난 도체 A에 손을 대었다 뗀 다음 대전체 B를 제거하면 도체 A는 양전하를 가지게 된다. 이것은, 대전체 B에 가까운 쪽의 양전하가 B의 음전하의 흡인력에 의해 속박되어 자유로이 움직일 수 없었으나, 도체 A의 먼 쪽에 있는 음전하는 인체를 통해 대지로 달아났기 때문이다.

 

5. 전기장과 전기력선

   전하에 의하여 정전기력이 작용하는 공간을 전기장(electric field), 전계 또는 전장이라고 한다. 또, 전하에서 발생되는 전기 장의 세기와 방향을 선으로 나타낸 것을 전기력선(line of electric force)이라고 한다. 전기력선은 그림 I-10과 같이 양(+)전하에서 나와서 음(-)전하로 들어가는 형상으로 나타낸다.

전하와 전기력선의 실제 모양

 

6. 전 류

    그림과 같이 양전하로 대전된 물질 A와 음전하로 대전된 물질 B를 전선C로 직접 연결하면, 두 전하 사이의 흡인력에 의해, B의 음전하는 C를 통과하 여 A쪽으로 이동하여 중화된다. 이 때 금속선에 전류가 흘렀다고 한다. 이와 같이, 전류는 자유 전자가 이동하는 것에 의해 생기는 것으로, 옛날에는 전기의 성질을 잘 몰라서 (+)전하가 이동하는 것으로 편의상 정하고 있었는데, 오늘날에도 습관상 (+)로부터 (-)의방향으로 전류가 흐르는 것으로 말하고 있다. 전자의 흐름 방향과 전류의 흐름 방향은 정반대이다.

 

 

 

 

 

 

전하의 이동

 

7. 전류의 3작용

    정전기는 방전할 때 순간적으로 흐르는 전류이므로, 에너지원으로 이용할 수 없다. 그러나 축전지, 발전기 등은 전기를 연속적으로 흐르게 하는 힘을 가지고 있다. 전류가 흐를 때 다음과 같은 작용을 한다.

(1) 발열 작용  : 금속에는 전류의 흐름을 방해하는 전기 저항이 있다. 이 전기 저항에 전류가 흐르면 열이 발생한다. 이 발열 작용에 의해 발열 부분의 온도가 높게 되는 것과 적열에서 백열로 이동하면서 빛이 많이 나오는 것이 있다.

(2) 자기 작용  : 전선이나 코일에 전류가 흐르면 그 주위에 자기 현상이 일어난다. 이 자기 작용을 응용하면 전기 에너지를 기계 에너지로, 또한 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있다. 그림 I-13과 같이 철심에 코일을 감아 전류를 흐르게 하면 전자석이 되는데, 이것이 모터의 원리이다. 자동차에 사용한 예 중에서 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 작용을 이용한 것으로서는 각종 모터, 릴레이 등이 있으며, 기계 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 작용을 이용한 것으로서는 발전기가 있다. 또한, 그림 I-14와 같이 철심에 2쌍의 코일을 감고 하나의 코일에 흐르는 전류의 세기와 방향을 주기적으로 바꾸면 다른 코일에 전기가 발생한다. 이것이 변압기의 원리이며, 점화 코일이나 회전 속도계(tachometer)에 응용된다.

(3) 화학 작용  : 전류의 화학 작용은 전류가 물질 속을 흐르는 것에 의해 화학 반응이나 전기 분해를 일으키는 작용이다. 전기 분해는 전류에 의해 전해질이 (+) 전기와 (-) 전기를 가지는 분자나 원자로 분리되는 것으로 이 현상을 전리라 한다. 전리된 분자나 원자를 양이온 또는 음이온이라 한다. 자동차에서의 사용 예로서 전지(battery)가 있다. 축전지의 내부에는 과산화납의 양(+)극판, 해면상 납의 음(-)극판, 묽은 황산의 전해액이 들어 있으며, 충전 또는 방전의 화학 작용이 일어난다.

전자석(전기의 자기 작용)

변압기의 원리(전기의 자기 작용)

 

8. 전 압

     전지와 전구를 전선으로 연결하면 전류가 흘러서 전구에 불이 켜진다. 이 때, 전류가 흐르는 이유는 물의 흐름에 비유해서 생각해 볼 수 있다. 그림과 같이 두 개의 물통에 수위차가 없을 때에는 두 개의 물통을 연결한 파이프에 있는 밸브를 열어도 물이 흐르지 못한다. 그러나 두 개의 물통 사이에 수위차(수압)가 있을 때에는 두 개의 물통을 연결한 파이프에 있는 밸브를 열면 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되며, 파이프를 통한 흐름의 세기는 수압에 비례한다. 마찬가지로, 전류도 전기적인 압력에 의해서 흐른다고 생각하여 이를 전압(voltage)이라 한다. 전압은 전위차(potential difference)라고도 하며, 전지의 양극과 음극 사이의 전위의 차이를 말한다.

 

9. 전원과 기전력

    그림과 같이 용기 A의 물이 용기 B로 흘러 수위차가 없게되면 파이프에는 물이 흐르지 않게 된다. 그러나 파이프에 물이 계속해서 흐르게 하려 면 펌프로 물을 퍼올려 수위차를 만들면 된다. 전기의 경우도 이와 같이 전선에 전류를 계속 흐르게 하기 위해서는 전압을 만들어 낼 필요가 있다. 이 전압을 만들어 내는 것을 기전력이라 하고, 기전력을 발생시키는 것을 전원이라 한다. 예를 들면 전지나 발전기는 전원으로 사용할 수 있으며, 전지는 저수지에 해당하고 발전기는 급상 펌프에 해당한다. 기전력의 단위는 전압의 단위와 같은 볼트[V]를 사용한다.

 

10. 전기 저항

       파이프에 같은 수압을 가하여도 파이프의 지름, 파이프의 길이, 파이프의 내면 상태에 따라 물이 흐르는 양이 다르다. 이것을 파이프의 저항이라고 한다. 마찬가지로 전선에 같은 전압을 가했을때 흐르는 전류의 세기는 전선의 굵기, 전선의 길이, 전선의 재질에 따라 다르다. 이와 같이 물질에 전류가 흐르기 어려운 정도를 나타낸 것을 전기 저항이라 한다. 물질의 전기 저항은 재질, 형상, 온도에 따라 변한다. 그림과 같이 도체의 저항 R는 도체의 길이에 비례하고, 단면적에 반비례한다.

 

11. 도체, 반도체, 부도체

    금, 은, 구리, 알루미늄 등 전류가 잘 흐르는 물질을 도체 (condu-ctor)라 하고, 종이, 나무, 공기 등 전류가 흐르지 않는 물질을 부도체 또는 절연체(insulator)라 한다. 부도체에는 자유 전자가 없어 전자가 흐르지 못하나, 도체에는 자유 전자가 있다. 실리콘, 게르마늄 등은 그 상태나 온도 등에 따라 도체와 부도체의 중간적인 성질을 나타내는데, 이들을 반도체 (semiconductor)라 한다.

 

12. 옴의 법칙

전기 회로에 흐르는 전류 I[A]는 전압 E[V]에 비례하고 저항 R[Ω]에 반비례한다. 이것을 옴의 법칙 (Ohm's law)이라 한다.

즉, I= E/R[A]

 

13. 전력과 전력량

전구, 전열기, 전동기 등에 전압을 가하여 전류가 흐르면 이 전류는 빛, 열, 기계적 일 등 여러 가지 에너지로 변환된다. 이와 같이 단위 시간당 전기가 하는 일을 전력(electric power)이라 한다. 전력 P는 전장품인 부하에 가해 주는 전압 E[V]와 그 부하에 흐르는 전류 I[A]의 곱으로 표시하며, 단위로는 와트[watt : W]를 사용한다. 즉,   P=EI[W]

또, 부하의 저항이 R[Ω]라면 E=IR 이므로    P=I²R= [W]

전력이 어떤 시간 내에 한 일의 총량을 전력량(electric energy)이라 한다. 전력량 W는 전력 P[W]와 시간 t[s]의 곱으로 표시하며 단위로는 줄[joule : J]을 사용한다.  W=P·t=I²Rt[J]

실제로 전력량을 측정하는 계기를 전력량계라 하며, 전력의 단위로는 킬로와트 [㎾]를, 시간의 단위로는 시 [h]를 사용하여 [㎾·h]를 전력량의 단위로 사용한다.

▶ 전기에너지의 변환과 응용