전기

전기는 무엇인가요

전기는 번개와 정전기, 전자기 유도 같은 일상의 효과를 일으키는 현상이고 전파 같은 전자기 복사를 내보내거나 모을 수도 있어요. 물리학에서 다루는 전기는 전하, 전기장, 전위, 전류, 전자석 같은 여러 모습으로 나타나요.

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전기공학에서는 전류로 에너지를 공급하는 전력, 진공관과 트랜지스터와 집적회로 같은 소자로 회로를 다루는 전자공학으로 나눠 쓰는 경우가 많아요. 에너지원으로서 전기의 융통성은 운송, 난방, 빛, 통신, 계산까지 거의 무제한의 응용을 가능하게 했고 전력은 현대 산업 사회의 중추예요.

전기는 전하와 전압과 전류로 어떻게 설명하나요

전하의 국제 단위인 쿨롱은 매우 큰 단위로, 약 6.25×10의 18제곱 개의 전자나 양성자가 가진 전하와 같아요. 전자 또는 양성자 하나의 전하량은 약 1.602×10의 -19제곱 쿨롱이고 이를 기본 전하라고 해요. 통상 양성자나 양전자의 전하를 양으로, 전자의 전하를 음으로 정해요. 같은 부호의 전하는 서로 밀어내고 다른 부호의 전하는 서로 끌어당겨요.

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전류의 단위 암페어는 전류가 얼마나 흐르는지를 나타내요. 1908년부터 국제적으로 인정받은 단위이고, 헤어드라이어(1,800와트 모델)는 15암페어, 연장 코드는 보통 1~20암페어, 집 차단기는 한 회선에 15~20암페어, 아크 용접은 200암페어까지 흐르고, 번개는 10만 암페어 이상을 실어 나를 수 있어요.

암페어는 어떻게 정의돼 왔나요

2019년까지 암페어의 공식 정의는 1820년대 앙드레마리 앙페르의 실험을 일반화해, 무한히 길고 단면이 무시할 만큼 가는 평행 도선 두 개를 진공에서 1m 떨어뜨렸을 때 길이 1m당 2×10의 -7제곱 뉴턴의 힘이 생기는 전류라고 했어요. 무한히 긴 도선과 진공 장치는 현실에 없어서 정의대로 구현할 수 없었고, 전기 단위인데 힘이라는 역학 단위로 정의돼 있었어요. 힘의 단위 뉴턴은 프랑스 세브르에 보관된 킬로그램 원기에서 나왔고 그 질량이 시간이 지나면서 변해 정확도를 제한했어요. 2018년 11월 킬로그램, 켈빈, 몰과 함께 암페어의 재정의가 승인됐고 2019년 5월 20일부터 기본 전하를 기준으로 삼아요.

전기를 확인한 대표적인 실험에는 무엇이 있나요

번개가 전기라는 것을 보인 실험으로 프랭클린의 연 실험이 흔히 알려져 있어요. 1752년 6월 천둥이 치는 날 물에 적신 연줄 끝에 금속 열쇠를 매달아 연을 띄웠고, 열쇠를 거쳐 손등에 전해진 스파크가 번개가 전기 현상임을 알게 했다는 이야기예요. 다만 프랭클린이 이 실험을 정말 했는지는 확실하지 않아요. 프랭클린은 음전하와 양전하라는 개념을 내놓아, 전하를 저장하는 라이덴병이 겉보기에는 역설 같아도 사실은 역설이 아님을 설명했어요.

가장 오래된 실험은 호박이에요. 지중해 주변의 고대 문화에서는 호박을 고양이 털로 문지르면 깃털 같은 가벼운 물체가 달라붙는다는 것을 알았고, 탈레스가 기원전 600년경 정전기를 여러 가지로 관찰했어요. 전기물고기도 오래된 예시예요. 대 플리니우스 같은 고대 사람들은 전기메기와 전기가오리의 충격이 그 충격을 전달할 수 있는 물체를 따라 이동한다는 것까지 알았어요.

1887년에는 헤르츠가 자외선을 쬔 전극이 전기 스파크를 더 잘 일으킨다는 것을 발견했어요. 1905년 아인슈타인은 이것이 양자 형태로 전달되는 빛 에너지가 전자에 에너지를 주는 광전효과 때문이라고 밝혔고, 이는 양자혁명의 실마리가 됐어요.

자연에서 볼 수 있는 전기의 예시로 번개가 있어요. 평균적인 번개는 전하 약 5쿨롱을 나르는데, 전류가 수만 암페어에 이르는 것은 번개가 몇십 밀리초밖에 이어지지 않기 때문이에요.

전기에너지는 어디서 오고 가정에서는 얼마나 쓰나요

전기는 석탄, 천연가스, 석유, 원자력 같은 1차 에너지원을 바꿔 얻는 2차 에너지원이에요. 전기를 만드는 데 쓰는 에너지는 풍력이나 태양광 같은 재생 에너지일 수도, 재생이 안 되는 에너지일 수도 있지만 전기 자체는 재생도 비재생도 아니에요.

전력망(그리드)은 높은 전압으로 전력을 한 지점에서 다른 지점으로 옮기는 송전선과 관련 장비가 연결된 체계예요. 미국의 일반 가정은 한 달에 평균 920킬로와트시를 쓰고, 그중 가전제품이 64.7%를 차지해요. 사용량은 여름철 냉방 때문에 가장 많고, 하루 중에는 사람들이 일을 마치고 돌아와 온도 조절 장치를 만지고 저녁을 준비하는 늦은 오후에 가장 커요. 전기 사용량은 킬로와트시(kWh)로 재요.

전기 발견의 역사는 어떻게 되나요

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옛사람들은 전기물고기의 충격을 알고 있었어요. 고대 그리스와 로마, 이슬람의 박물학자들과 의사들도 전기메기와 전기가오리의 충격을 기록했고, 통풍이나 두통 환자에게 전기물고기를 만지게 하는 처방도 있었어요. 15세기 이전부터 아랍어에서는 전기가오리를 번개라는 말로 불렀어요. 파르티아인이 전기도금의 원리를 알았다는 학설에서 증거로 드는 1936년의 바그다드 전지는 전기적 성질을 가졌는지 불확실해요.

전기 에너지원의 역사는 비교적 짧아요. 미국에서는 1885년 뉴욕의 펄 스트리트 발전소에서 시작한 전기 체계가 120년 넘게 이어졌어요. 처음에는 발전소가 고립되어 특정 고객에게만 전기를 공급했는데, 이후 50년에 걸쳐 여러 발전소를 묶은 고립된 계통이 생겼고, 1960년대 중반에는 지역 간 연결된 그리드로 바뀌었어요.

19세기 후반에는 벨, 에디슨, 지멘스, 테슬라, 웨스팅하우스 같은 인물들이 전기를 과학적 호기심의 대상에서 근대 생활의 필수 도구로 바꿔 제2차 산업혁명을 이끌었어요.

전기는 생활 속에서 어디에 쓰이나요

전기는 조명, 난방, 통신, 운송, 계산의 에너지원이에요. 태양광 전지를 비롯한 광검출기는 광전효과를 이용해 상업적 전기 생산에도 쓰여요. 집에서는 헤어드라이어, 에어컨, 전등, 가전제품이 전류를 이용하고, 번개처럼 자연에서도 전류가 흘러요.

전류의 크기는 쓰임마다 크게 달라요. 60와트에 해당하는 LED 전구가 끌어 쓰는 전류는 1암페어의 몇분의 일에 불과하고, 헤어드라이어는 15암페어, 아크 용접은 200암페어쯤 흘러요.

미국에서는 전기 고객이 1억 4천만이 넘고, 이 가운데 가정용이 약 1억 2,200만 곳으로 전기 판매량의 37%, 상업용이 약 1,700만 곳으로 35%, 산업용이 100만 곳 미만으로 28%를 차지해요. 미국 에너지부는 낡은 백열전구를 소형 형광등으로 바꾸는 것을 에너지 사용을 개선하는 간단한 방법의 예로 들어요.

전기 공급 체계가 서로 이어져 있어서 생기는 일도 있어요. 2003년 8월 14일 북미 북동부 대정전은 미국 8개 주와 캐나다 1개 주에서 5천만 명이 전기를 쓰지 못하게 했고, 경제 활동 손실은 50억~120억 달러에 이르렀어요.

전기와 함께 배우는 개념에는 무엇이 있나요

• 전기회로: 전원과 함께 설치된 닫힌 회로로, 저항기, 축전기, 코일 같은 소자가 전선으로 연결돼요.
• 전기화학: 물질 사이 전자의 이동과 그에 따른 현상을 다루는 화학 분야예요.
• 전자기파: 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선을 포함하며 진공에서 빛의 속력으로 전달돼요.
• 전력: 직류에서는 P = VI이고 교류에서는 피상전력, 무효전력, 유효전력이 있어요.
• 그리드: 송전선과 관련 장비가 연결된 전력 전달 체계예요.
• 전자석: 철심에 코일을 감고 전류를 흘리면 철심이 자성을 띠는 장치예요.
• 전자공학: 전력을 구동력으로 쓰는 장치와 시스템을 만들기 위해 전자의 운동이 미치는 영향과 행동을 연구하는 공학 분야예요.
• 전자기파의 구조: 고전 역학에서 전자기파는 서로 수직으로 진동하는 전기장과 자기장으로 이루어지며, 진행 방향에도 수직인 횡파예요.

전기에 대해 흔히 하는 오해는 무엇인가요

• 전기는 재생 에너지다: 전기를 만드는 원료는 재생일 수도 아닐 수도 있지만 전기 자체는 어느 쪽도 아니에요.
• 호박은 자석이다: 탈레스는 마찰한 호박이 자성을 띤다고 봤지만 틀렸고, 길버트가 두 효과를 구분했어요.
• 전기는 고대에 몰랐다: 전기물고기의 충격과 호박의 정전기는 오래전부터 알려졌어요.
• 전압은 전류와 같은 말이다: 전위(전압)는 전기장이 전하에게 하는 일의 능력이고 전류는 전하의 흐름이에요.