전기와 전기현상

2026.03.15 16:50

전기란 전하의 존재와 이동에 의해 나타나는 물리적 현상이다. 물질을 구성하는 원자 내부의 전하 불균형이 전기 현상의 근본적인 원인이 된다.

전하와 원자 모델

Rutherford-Bohr 모델에 따르면 물질은 분자로, 분자는 원자로 구성되며, 원자는 다시 양성자·중성자·전자로 이루어진다.

전자 1개가 갖는 전하량은 e = 1.6 × 10⁻¹⁹ [C]이다. 역으로 1C의 전하에는 약 6.24 × 10¹⁸개의 전자가 존재한다. 정상 상태의 원자는 양전하와 음전하의 양이 같아 전기적으로 중성이다.

전하의 특성

같은 극성의 전하끼리는 서로 밀어내고(척력), 다른 극성의 전하끼리는 서로 끌어당긴다(인력). 전하량의 단위인 쿨롱(C)은 정적인(static) 양으로, 전하가 얼마나 존재하는지를 나타내는 스칼라 값이다.

전류는 단위 시간당 도체의 한 단면을 통과하는 전하량이다.

I [A] = Q [C] / t [sec] = dq/dt

1A는 1C의 전하가 1초 동안 도체의 한 단면을 통과할 때의 전류이다. 전류의 방향은 양전하의 이동 방향으로 정의하며, 실제 전자의 이동 방향과는 반대이다.

전기의 발생

전기는 외부의 영향으로 원자 내 양전하량과 음전하량의 균형이 깨질 때 발생한다. 전자기 유도, 화학적 반응, 열전쌍, 빛(광전 효과), 압력(압전 효과) 등이 이 불균형을 일으키는 원인이다.

두 점 전하 Q₁, Q₂ 사이에 작용하는 힘은 거리의 제곱에 반비례하고 전하량의 곱에 비례한다.

F = (1 / 4πε) × (Q₁Q₂ / r²) [N]

Q₁과 Q₂가 같은 부호이면 F > 0으로 반발력이 작용하고, 다른 부호이면 F < 0으로 흡인력이 작용한다.

전계(전기장)의 강도 E는 시험 전하 Q₂가 단위전하일 때 받는 힘으로 정의된다.

E = F / Q₂ = (1 / 4πε) × (Q₁ / r²) [V/m]

전기력선

전기력선은 전하를 기점으로 전기의 힘이 작용하는 방향을 따라 그린 연속적인 선이다. (+)전하에서 출발하여 (-)전하에서 끝나며, 전기력선의 밀도가 곧 전계의 세기를 나타낸다. 등전위면과 항상 직교하고, 폐곡선을 이루지 않으며, 서로 교차하지도 않는다.

전속과 전속밀도

전속(electric flux)은 매질에 관계없이 1C의 전하로부터 나오는 선으로, ψ = Q이다. 전속밀도 D는 단위 면적당 전속으로 정의된다.

D = Q / (4πr²) [C/m²]

전계와 전속밀도의 관계는 E = D / ε [V/m]이다. 전속밀도 D는 매질과 무관하게 전하에 의해서만 결정되지만, 전계 E는 매질의 유전율 ε에 따라 달라진다.

전위차(전압)

전위차는 단위 전하를 한 점에서 다른 점으로 이동시키는 데 필요한 에너지이다.

v = W / Q [V] 또는 [J/C]

1V는 1C의 전하를 이동시키는 데 1J의 에너지가 소비될 때의 전압이다.

전위

전위는 자유공간에서 무한 원점으로부터 단위 전하를 해당 점까지 전계의 반대방향으로 운반하는 데 필요한 에너지이다.

V = -∫E·dL

일반적으로 전위의 기준점(영전위점)은 접지(대지)로 잡는다.

보존장

정전기장은 보존장이다. 전계 내에서 단위전하를 임의의 폐곡선을 따라 한 바퀴 이동시키는 데 필요한 일은 항상 0이다.

∮E·dL = 0

이 성질 덕분에 두 점 사이의 전위차는 어떤 경로를 택하든 동일하다.

등전위면

전위가 같은 점들을 이은 면을 등전위면이라 한다. 등전위면 위에서 전하를 이동시키는 데는 일이 필요하지 않으며, 전기력선과 항상 직교한다.

물질이 전기를 잘 흐르게 하느냐는 원자 간 결합 방식에 달려 있다.

금속결합 (도체): Cu 같은 금속은 금속양이온과 자유전자로 구성된다. 자유전자가 결정 격자 내에서 자유롭게 이동할 수 있어 전류가 흐른다.
공유결합 (유전체/절연체): Si 같은 물질은 전자가 원자 사이의 공유결합에 묶여 있어 자유롭게 이동하지 못한다. 외부 전계가 가해지면 쌍극자가 정렬되지만 전하가 실제로 흐르지는 않는다.

도체에서는 자유전자의 이동이 전류의 본질이고, 유전체에서는 전계에 의한 분극이 일어날 뿐 전하의 흐름은 없다.