전기를 이해하는 기초 용어들

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전기 없이는 잠시도 생존이 어려워하는 생명체가 오늘의 인류이다. 그러나 인류는 전기를 모르고 살았던 시대가 전기시대보다 비교할 수 없이 길다. 전기와 관련된 전문용어는 헤아리기 어렵도록 많다. 오늘날의 디지털 전기시대를 살아가는데 필요한 기본적인 용어 몇 가지를 간단하게 이해해보자.

 

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전기(electricity) - 전등 스위치를 올리면 불이 켜진다. 이것은 에너지를 가진 음전하 입자(전자)의 작용으로 나타나는 현상이다. 그래서 전기란 ‘에너지를 가진 전자의 흐름’이라고 간단히 말할 수 있다.

 

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전류(current) - 수도관 속으로 물이 흐르듯이, 전자가 도선을 따라 흐르는 것을 전류라 한다. 수도관 속으로 1초 동안에 흐르는 물의 양이 많고 적을 수 있는 것처럼, 도선 속으로 단위시간에 흐르는 전류의 양도 변한다. 전류의 양을 나타내는 대표적인 단위가 암페어(amp 또는 A로 나타냄)이다. 1amp(A)는 1초 동안에 전자가 600경 개 흐르는 양이다. 100경은 1에 0을 18개 붙인 수이다.

 

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볼테이지(voltage 전압) - AA 또는 AAA 건전지에서는 1.5V(볼테이지)의 전류가 흘러나오고, 자동차 베터리에서는 14V 정도, 그리고 가정의 전기기구에는 나라에 따라 120V 또는 220V의 전류가 흐른다. V는 도선에 흐르는 전류의 양을 나타내는 단위이며, 이를 우리말로 전압이라 한다. 폭포에서 흘러내리는 물은 높이가 높을수록 강한 힘(에너지)으로 떨어지듯이 전압도 높을수록 큰 힘을 낸다.

 

 

 

 

좁은 수도관 속으로는 많은 물이 흘러갈 수 없다. 전압이 높으면 전선도 그에 적절하게 굵어야 전류가 잘 흐른다. 송전선은 고압 전류가 잘 흘러야 하는 동시에 강풍이나 충격 등을 견디는 물리적 힘도 강해야 한다.

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저항(resistance) - 전류가 흐르는 전선을 젖은 손으로 만지면 쉽게 감전되지만, 건조한 손(피부)이라면 감전이 잘 되지 않는다. 이것은 마른 피부가 전류의 흐름에 저항하기 때문이다. 그러나 젖은 피부라면 전류는 큰 저항 없이 흘러버린다. 계곡을 흘러내리는 물을 보면, 도중에 큰 바위에 부딪히기도 하고 넘어진 고목에 걸리기도 하면서 흐르는 속도에 지장(저항)을 받는다.

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도체(도선) 속으로 전류가 흐를 때, 그 도선을 구성하는 물질의 성분과 구조에 따라 잘 흐르기도 하고 저항을 받기도 한다. 구리선은 일반적으로 저항이 적어 전류가 잘 흐르지만, 니켈과 크로뮴과 철의 합금인 니크롬선은 전기저항이 심하다. 저항을 받으면 전기에너지가 열에너지로 변한다.

 

 

 

 

전자기구의 회로에는 레지스탄스라 불리는 부품이 여기저기 연결되어 있다. 이런 레지스탄스는 전류가 흐르는 양을 적절히 감소시키는 저항 역할을 한다.

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도체와 절연체 : 전류 흐름에 저항이 극히 적은(전도율이 좋은) 물질을 도체(導體 conductor)라 하고 저항이 너무 커서 전류가 전혀 흐를 수 없는 물질을 절연체(絶緣體 insulator)라 한다. 일반적으로 금속들은 좋은 도체이다. 순수한 물은 절연체에 가깝다. 그러나 염분이 녹아 있는 바닷물은 도체가 된다. 번개가 치는 날 바다나 풀에서 수영을 하면 위험하다. 풀에서는 살균용 화학약품이 물을 도체로 만들기 때문이다.

 

 

 

 

플라스틱과 건조한 나무는 좋은 절연체이다. 구리 전선은 플라스틱 재킷으로 감싸서 안전하게 만들고 있다.

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반도체 : 거리의 차들은 교통신호에 따라 가기도 하고 멈추기도 한다. 이처럼 상황에 따라 도체가 되기도 하고 절연체가 되기도 하는 규소와 같은 물질을 반도체라 한다. 반도체 성질을 가진 물질은 여러 가지가 있으며, 반도체 물질이 전류를 흐르게 하고 끊게 하려면 복잡한 회로를 설계해야 한다.

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변압기(transformer) : 이름 그대로 전압을 높이기도 하고 낮추기도 하도록 만든 장치이다. 발전소에서 나오는 송전선에는 수만 볼트의 고압 전류가 흐른다. 이런 고압 전류를 가정에서 사용하는 120V 나 220V로 낮추려면 변압기를 거쳐야 한다. 변전소와 전선주의 변압기는 고압 전류를 가정이나 공장에서 안전하게 사용하도록 낮추는 전기시설이다.

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변압기를 거치지 않고 고압 전류가 가정의 냉장고나 다른 가전기구에 흐른다면 고압전류에 감전되기도 하고, 고압전류가 전선에서 열에너지로 변하여 화재가 발생할 것이다. 그러므로 특별한 전기기구를 구입할 때는 적정 볼테이지인지 확인해야 할 것이다.

 

 

 

 

가정에서 하나의 전기코드에 전력 사용량이 많은 다수의 전기기구들을 연결하여 사용한다면, 전선에 너무 많은 전류가 흐르면서 열로 변하여 화재가 발생할 위험이 있다. 이런 사고를 미연에 방지하도록 준비된 장치가 집안의 누전차단기이다. 누전차단기에는 바이메탈 장치가 있어 과전류가 흐르면 전선 연결이 일시적으로 끊어진다.

 

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바이메탈(bimetal) : 전기다리미를 사용할 때, 밑바닥 온도가 일정 이상 높아지면 딸각 소리가 나면서 전선 연결이 끊어져 전기가 일시적으로 흐르지 않는다. 그러다가 다리미가 식으면 다시 전선이 연결되어 전류가 흐른다. 이런 역할을 하는 것이 바이메탈(bimetal)이다.

 

 

 

 

바이메탈은 전기다리미, 전기밥솥, 냉장고, 전기포트, 전기장판의 온도를 조정하는 안전장치이다. 바이메탈(이중금속)은 대개 구리와 철의 얇은 절편을 서로 마주 붙여서 만든다. 구리는 철보다 열팽창율이 높기 때문에 온도가 높아지면 철보다 먼저 팽창한다. 그러면 서로 붙어 있는 절편은 철편쪽으로 휘어져 전선이 연결되거나 끊어지거나 한다. 적정온도가 되면 휘어져 있던 절편은 곧게 펴진다.

rivet : 고정나사, wire: 전선, contact: 접속, bimetallic strip: 철과 구리 이중 금속 절편

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캐패시터(capacitor 축전기) : 전자기기들의 회로를 보면 콘덴서(condenser)라 불리기도 하는 축전기가 여러 개 접속되어 있다. 이들 축전기(캐패시터)는 일시적으로 전하를 저장하고 보내는 작은 부품(소자)이다. 캐패시터는 전기 저장 외에 직류를 차단하는 등의 다른 기능으로도 이용된다.

 

 

 

 

여러 형태의 캐패시터이다. 캐패시터(축전기)가 전류를 저장할 때는 일반 축전지처럼 화학적 방법이 아니고 정전기 형태로 저장한다.

 

절연체(insulator) : 전류가 잘 흐르지 않도록 하는 물질이나 장치

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<전파과학 과학상식 Q & A> - YS

 

 

우리 은하와 반대 방향으로 회전하는 은하들, 제임스 웹 포착