전기와 자기, 정전기, 마찰전기, 정전기 유도, 전류, 전압, 저항 개념 정리

중학교 2학년 과학 2단원에 나오는 전기와 자기 단원의 전기 부분을 정리해보려고 합니다. 정전기, 마찰전기, 정전기 유도, 전류, 전압, 저항의 개념에 대해 알아보겠습니다.

 

맨 처음, 과학자들이 전기와 자석에 대해 발견하고 연구했을 때, 사람들은 이 둘이 전혀 관련이 없다고 생각했습니다. 그러나 지속된 연구를 통해 전기와 자석이 비슷한 성질이 있음을 알게 됐고, 전자기학이라는 학문으로 합쳐졌다고 합니다. 그래서 2단원에서는 전기와 자기(자석)에 대해 배웁니다.

 

1단원에서 배웠던 내용을 되새겨보면, 원자는 원자핵과 전자로 이루어져 있고 가장 바깥쪽에 있는 전자는 다른 원자로 이동해갈 수 있습니다. 이를 통해 전하를 띠는 이온이 만들어집니다. 물체는 수많은 원자로 이루어져 있고, 물체라는 큰 규모에서도 전자의 이동이 관찰됩니다. 이렇게 되면 전하를 띠는 물체가 만들어지는 것입니다.

 

전기를 크게 둘로 나누면 정전기와 전류로 구분할 수 있습니다. 정전기는 멈춰 있는 전기이고, 전류는 흐르는 전기입니다. 

 

1. 정전기

1) 마찰전기

마찰전기란, 두 물체를 마찰시켰을 때 한쪽에서 다른 한쪽으로 전자가 이동하면서 생기는 전기를 말합니다. 예를 들어 털가죽과 플라스틱 막대를 마찰시키면 전자가 털가죽에서 플라스틱 막대로 이동하면서, 털가죽은 (+) 전하를 띠게 되고 플라스틱 막대는 (-) 전하를 띠게 됩니다.

일상생활에서 찾을 수 있는 예는 다음과 같습니다.

• 미끄럼틀을 타고 내려올 때 머리카락이 뻗치는 현상
• 스웨터를 벗을 때 지지직 소리가 나는 현상

2) 정전기 유도

전기적으로 중성인 금속 물체에 대전된 대전체를 가져다 댔을 때 나타나는 현상입니다. 금속에는 자유전자가 많이 들어있는데, 대전체가 가까이 오면 인력이나 척력에 의해 전자가 이동하게 되고 금속 내에서 (+) 전하와 (-) 전하가 생기게 됩니다. 이런 현상을 확인하는 실험 도구로는 검전기가 있습니다. 검전기는 금속판, 금속막대, 금속박으로 이루어져 있고 그 주변을 유리병이 감싸고 있는 모습입니다.

예를 들어 (-) 대전체를 검전기의 금속판에 가까이하면 금속 내의 자유전자들이 척력에 의해 밀려나 금속박으로 이동하게 됩니다. 두 개의 금속박은 같은 전하로 대전되게 되고, 척력에 의해 서로 밀어내며 금속박이 벌어지게 됩니다.

이런 과정을 통해 어떤 물체가 대전되었는지, 대전되지 않았는지 확인할 수 있습니다.

 

2. 전류

1) 전류(I)

정전기의 반대라고 하면 동전기를 생각할 수 있으나, 동전기라 하지 않고 전류라고 합니다. 전류란 전하의 흐름을 이야기하는데, 여기서 이야기하는 전하는 (-) 전하를 띠는 전자라고 생각하면 됩니다. 일반적으로 도선 내에는 많은 자유전자들이 있고 이 자유전자들이 같은 방향으로 흐르면 전류가 흐른다고 하게 됩니다. 전류의 방향은 (+) 극에서 (-) 극으로 흐른다고 하는데, 실제 전자는 (-) 극에서 (+) 극으로 움직입니다. 전자의 존재를 몰랐을 때 과학자들이 (+) 극에서 (-) 극으로 흐른다고 약속하고 시간이 오래 지나, 실제 전자의 움직임이 알려졌지만 수정하지 않고 그대로 사용하고 있습니다. 전류의 기호로는 I를 쓰고 단위는 A(암페어)를 사용합니다.

2) 전압(V)

전압은 전류를 흐르게 하는 능력인데, 물의 흐름에서 펌프가 만들어내는 수면의 높이차라고 생각하면 됩니다. 펌프는 전지입니다. 건전지의 1.5V, 3V, 가정의 220V는 전압을 의미하며 숫자가 클수록 전지가 만들어내는 수면의 높이 차이가 커진다고 생각하면 됩니다. 그러면 전류도 함께 커지겠죠? 전압의 기호는 V를 쓰며, 단위는 V(볼트)를 사용합니다.

3) 저항(R)

저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도로 도선 내에는 원자들이 자리하고 있는데, 이 원자들 때문에 전자의 흐름이 방해를 받게 됩니다. 전기회로에서는 우리가 사용하는 전자제품들은 모두 저항이 됩니다. 물의 흐름에서 물레방아가 물의 흐름을 방해하지만, 우리는 그것을 이용하는 것처럼, 다양한 전자제품들은 전하의 움직임을 방해하는 저항이지만 우리는 그것을 방해하며 사용하는 것입니다. 저항의 기호는 R을 쓰며, 단위는 Ω(옴)을 사용합니다.

저항은 길이가 길어지거나, 굵기가 얇아지면 커지게 됩니다. 저항을 직렬로 연결하면 저항이 길어지는 것과 같은 효과가 있어 전체 저항은 커지고 전체 전류는 작아집니다. 저항을 병렬로 연결하면 저항이 굵어지는 것과 같은 효과가 있어 전체 저항이 작아지고 전체 전류는 커집니다. 멀티탭 같은 경우는 저항을 병렬로 연결하는 것인데, 많은 가전제품을 연결할수록 전체 저항이 작아지고 전체 전류가 커지기 때문에 화재 등의 위험성이 높아집니다. 때문에 문어발식으로 연결하지 말라고 하는 것입니다.

4) 옴의 법칙

전류, 전압, 저항의 관계를 나타낸 것이 옴의 법칙입니다. 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례합니다. 이것을 식으로 쓰면 I=V/R 로 나타낼 수 있습니다.