전류의 기본 개념

본 내용은 이재언(전기기술사 사이버학원 원장)님이 방송과 기술 잡지에 기고한 내용을 인용하여 전류의 기본 개념, 즉 전자의 이동, 전류의 방향과 크기 등에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

전류의 기본 개념

전자의 이동

전류는 전하가 이동하는 것이다. 전하가 이동한다기 보다는 전하를 가지고 있는 전자가 이동한다고 말하는 것이 더 정확한 표현이다. 전류가 흐를 때 모든 전자가 이동하는 것이 아니라 최외각에 있는 가전자(原子價電子) 하나만 이동하는데 이렇게 이동할 수 있는 전자를 자유전자라고 한다.

 

자유전자는 구리원자 1개에 하나씩이다. 구리원자의 원자량은 63.54g이다. 이것을 1 [mol]이라고 한다. 모든 물질 1 [mol]에는 아보가드로의 수에 의해 6.022 × 10²³ 개의 원자를 가지고 있다. 따라서 구리 63.54g 속에는 6.022 × 10²³ 개의 원자가 있다. 엄청나게 많은 숫자이다.

 

 

구리도체에서 전자의 이동을 간단히 설명하기 위해 다음과 같이 원자 4개가 1열로 배치된 경우를 생각한다.

 

<그림 1> 구리도체 전자의 이동 모형도

 

여기에 그림에서와 같이 전압이 가해지면 제일먼저 1번 원자의 자유전자가 ( + )극에 끌려들어간다. 즉 1번 원자에는 전자가 있던 자리에 빈자리가 하나 생긴다. 이렇게 생긴 빈자리를 정공(Electron Hole)이라고 한다. 이때 1번 원자는 양자수는 그대로 29개인데 전자는 28개로 감소해서 전기적으로 ( + )가 된다. 원자가 전기적으로 ( + )가 되었다는 것은 그 원자도 전자를 끌어당기는 힘을 가졌다는 것을 의미한다. 그래서 1번 원자에서 다른 전자가 또 끌려나가는 것이 아니라 2번 원자의 가전자를 끌어당긴다.

다음에는 2번 원자의 자유전자가 1번 원자의 정공으로 끌려오고, 1번 원자의 정공은 2번 원자로 이동한다.

다음에는 3번 원자의 자유전자가 2번 원자의 정공으로 끌려오고, 2번 원자의 정공은 3번 원자로 이동한다

다음에는 4번 원자의 자유전자가 3번 원자의 정공으로 끌려오고, 3번 원자의 정공은 4번 원자로 이동한다.

 

전원을 접속하는 전선도 구리도체이므로 그 내부에서도 동일한 현상이 일어나서 제일 처음에 1번 원자에서 ( + )극으로 끌려들어간 전자는 기전력을 거쳐 4번 원자로 간다.

기전력 또는 전압은 ( + )극에서 전자를 끌어당겨 내부에 저장하는 것이 아니라 ( - )극으로 밀어낸다. 이는 마치 펌프가 수압으로 펌프의 흡입구로 물을 빨아들여서 토출구로 밀어내는 것과 같다.

 

 

전류의 방향과 크기

상기 전자의 이동에서 설명한 바와 같이 전자가 이동하는 방향은 전압의 ( - )극 → ( + )극 방향이지만 정공(Electron Hole)의 이동방향은 전압의 ( + )극 → ( - )극 방향이다. 따라서 전류의 방향은 전자의 이동방향을 기준으로 한 것이 아니라 정공의 이동방향을 기준으로 한 것이라고 생각하면 된다. (그림 1 참조)

전류는 이러한 전자의 이동이고, 전자는 음극( ‐ 극)에서 양극( + 극)으로 이동한다. 그러나 전류는 정공의 이동방향을 기준으로 해서 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 정의했다.

 

도체 속에 전류가 흐르는 것은 수도관 속에 물이 흐르는 것과 매우 유사한 성질을 가지고 있다. 같은 굵기의 수도관이라도 수압이 세면 물이 많이 흐르고 수압이 약하면 조금 흐르는 것과 같이, 전류의 경우에도 같은 굵기의 전선이라도 전압이 높으면 큰 전류가 흐르고 전압이 낮으면 작은 전류가 흐르게 된다.

전자는 ( - )전기를 띠고 있는데 이를 전하라고 한다. 전자 한 개가 가지는 전하량은 ‐1.602 × 10^⁻19[C: 쿨롱]이다. 따라서 1쿨롱(C)은 1/(1.602 × 10^⁻19) = 6.25 × 10^18개의 전자가 가지는 전하량이다. 전류의 크기는 A(Ampere 암페어)로 표시하는데 이는 “1초 동안에 1쿨롱의 전하가 이동하는 것”으로 프랑스 공학자 앙페르(Ampere)가 정의한 것이다. 즉 1[A] = 1[C/s] 이다.

 

 

도체 내부에서 전자의 이동속도

예를들어 다음 그림과 같이 단면적 1[cm²]의 구리도체 중간에 길이 1[cm] 의 길이에 해당하는 도체의 체적은 1[cm³]가 된다. 구리의 밀도는 8.96[g/cm³]이므로 그림에서 파란색 부분의 무게는 8.96[g] 이다

<그림 2> 구리도체 구리원자(자유전자) 수

 

구리의 원자량은 63.54[g] 이므로 8.96[g] 은 8.96 / 63.54[mol]이 된다. 아보가드로의 수에 의해서 모든 물질 1[mol] 중에는 6.022×10^23 [개/mol]의 원자를 가지고 있으므로 8.96 / 63.54[mol]의 구리 속에는

 

 

 

 

 

의 구리원자가 있고 구리원자 한 개에는 각각 1개씩의 자유전자가 있으므로 구리 1cm³ 안에 들어있는 자유전자의 수는 그 속에 들어있는 구리원자의 수와 같다.

 

 

다음 그림과 같이 단면 A-A왼쪽에 있던 자유전자들이 1초 동안에 모두 단면 A-A의 오른쪽으로 1[cm]를 이동했다면 이때 단면 A-A를 통해서 이동한 전자들의 전하량은 다음과 같이 계산된다.

즉, 단면 A-A를 통해서 1초 동안 13,604[A]의 전류가 흘렀다는 말이 된다.

<그림 3> 구리도체 전자 이동속도

 

이때 전자가 이동한 속도는 1초 동안에 1[cm]를 갔으니 10[mm/s] 가 된다. 만일 같은 조건에서 1[mm/s]의 속도로 이동한다면 단면 A-A를 통해 흐르는 전류는 13,604/10=1,360[A]가 될 것이다. 결국 전자의 이동속도는 도체단면적, 도체에 흐르는 전류의 크기, 도체의 종류 등에 따라서 달라지게 된다.

 

그래서 일반적으로는 다음식을 사용한다.

I = envA → v = I/(enA)

식에서 I =전류[C/s], e = 1.602 × 10⁻19[C], n =자유전자의 수, v =전자의 속도[cm/s], A =도체단면적[cm²]이다.

 

예를들어 단면적 1[cm²] 의 도체에 1,360[A]의 전류가 흐를 때 전자의 속도를 계산해 보면 결국 도체에 전류가 흐를 때 도체 내부에서 전자의 이동속도는 수[mm/sec]밖에 안된다.

 

 

전자의 이동속도와 전기의 속도

전자 하나 하나의 이동속도는 느리지만 전기의 속도는 광속에 가깝다.

어떻게 그렇게 되는가를 생각해본다. 예를 들어 다음 그림과 같이 직경이 당구공의 직경과 같고, 길이가 1000[m]인 파이프 속에 그림과 같이 당구공을 가득 채워 넣어 놓았을 때, 당구공이 완전 비탄성체라고 가정하면, 그 파이프의 한쪽 끝에서 당구공 하나를 더 밀어 넣을 때 다른 쪽 끝에서는 거의 같은 순간에 당구공 하나가 파이프로부터 나올 것이다.

<그림 4> 전자의 이동 원리 이해를 위한 당구공 이동 모형도

 

이 경우에 파이프 속에 있는 하나하나의 당구공이 이동한 거리는 당구공의 직경만큼 밖에 안된다.

그러나 외관상으로 볼 때는 한쪽에서 당구공 하나가 들어가는 순간에 1000[m] 거리에 있는 다른 끝에서는 당구공이 하나가 나왔으니 당구공이 들어간 쪽과 나온 쪽만을 생각하면 당구공은 1000[m] 거리를 거의 순간적으로 간 것처럼 보인다.

 

도체 속에서 전자의 이동도 당구공의 이동과 그 원리가 같다. 수백[km] 의 긴 전선의 한쪽에서 전자가 들어가면 전자들은 모두 ( - )전하를 가지고 있어서 서로 밀기 때문에, 또한 전자의 질량은 9.1 × 10^⁻31[kg]으로 거의 0[g] 에 가깝기 때문에 다른 쪽에서는 그와 동시에 들어간 만큼의 전자가 나와야 한다. 그러니까 들어간 쪽과 나온 쪽만을 생각하면 전자가 거의 순간적으로 수백[km]를 이동한 것처럼 보인다.

이런 이유로 가공전선에서 전기 진행파의 속도는 거의 광속에 가깝게 된다. 그러나 전자의 실제이동 속도는 도체의 종류, 도전율, 양단에 가해진 전압의 크기 등에 따라서 달라지기 때문에 한마디로 몇[m/sec] 또는 몇[mm/sec] 라고 말하기는 어려우나 보통 수[mm/sec] 정도로 보고 있다.

 

당구공의 경우는 파이프 속에서 당구공이 최소한 당구공의 직경만큼 이동해야 다른 쪽에서 당구공이 한 개 나오겠지만, 전자의 크기는 거의 0[mm] 에 가까우므로 도체 내부에서 전자가 아무리 느린 속도로 이동한다고 해도 한쪽 끝에서 전자가 들어가면 다른 끝에서는 같은 순간에 들어간 개수 만큼의 전자가 나와야 한다. 그러므로 전기의 속도는 도체 내부에서 전자기의 실제로 이동하는 속도와는 무관하게 광속(3 × 10^8[m/sec])에 가깝게 된다. 그렇다면 왜 하필 광속인가?

3 × 10^8[m/sec]는 우주의 속도제한(Speed Limit in this Universe)이다.

빛이나 전파 또는 전기의 속도는 무한대에 이를 수도 있다고 생각할 수 있으나, 우리가 존재하는 이 우주공간에서의 속도제한이 3 × 10^8 [m/sec] 이기 때문에 그 이상은 될 수가 없다.

 

Reference : BROADCASTING & TECHNOLOGY(방송과 기술) June 2016 BACK TO THE BASIC SEASON Ⅱ