전하와 전류란 무엇일까?
모든 물질에는 전하를 띤 아주 작은 입자가 있어요. 금속 전선 안에는 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 있고, 이 전자들이 한 방향으로 움직이면 전하가 흐르는 거예요. 전류는 1초 동안 한 지점을 지나가는 전하의 양이에요.
I = Q / t
전하 Q의 단위는 쿨롱(C), 시간 t의 단위는 초, 전류 I의 단위는 암페어(A)예요. 그래서 1암페어는 1초에 1쿨롱의 전하가 지나간다는 뜻이에요. 1쿨롱은 전자 약 6.25 × 1018개의 전하이고, 전자 한 개의 전하는 1.6 × 10−19 C예요. 작은 전류는 밀리암페어(1 mA = 10−3 A)나 마이크로암페어(1 µA = 10−6 A)로 나타내요.
전류의 방향
과학자들은 전자가 발견되기 전에 전류의 방향을 정했어요. 그때는 양(+)전하가 움직이는 방향으로 정했고, 전지 바깥에서 + 극에서 − 극으로 흐른다고 약속했어요. 이것이 전류의 방향(약속된 방향)이에요. 전자는 음(−)전하라서 실제로는 반대쪽, 즉 − 에서 + 로 움직여요. 회로도에서는 항상 약속된 전류의 방향을 그려요.
전기 회로와 전류계
전기 회로는 전하가 지나가는 닫혀 있고 끊어지지 않은 길이에요. 스위치(플러그 키)가 열려 있거나 전선이 끊어지면 회로가 열려서 어디에서도 전류가 흐르지 않아요.
전류는 전류계로 재요. 전류계는 항상 직렬로 연결해서 같은 전류가 그대로 지나가게 해요. 전류계는 저항이 아주 작아서 재려는 전류를 거의 바꾸지 않아요. 전류계의 + 단자는 전지의 + 쪽으로 향하게 연결해요.
전위차란 무엇일까?
전하는 저절로 흐르지 않아요. 물이 관을 따라 흐르려면 높이 차이가 필요한 것처럼 전하에도 미는 힘이 필요해요. 전지는 화학 반응으로 일을 해서 한쪽 단자의 전위를 다른 쪽보다 높게 유지해요. 두 점 사이의 전위차는 단위 전하(1 C)를 한 점에서 다른 점으로 옮기는 데 필요한 일이에요.
V = W / Q
SI 단위는 볼트(V)이고, 1볼트 = 1줄/쿨롱이에요. 즉 1 J의 일로 1 C의 전하를 두 점 사이에서 옮긴다면 전위차는 1 V예요. 전위차는 전압계로 재고, 재려는 부분과 병렬(가로질러)로 연결해요. 전압계는 저항이 아주 커서 전류를 거의 끌어가지 않아요.
회로 기호
실제 전지와 전구를 그리면 시간이 오래 걸려서 약속된 기호를 써요.
- 전지: 긴 가는 선(+)과 짧은 굵은 선(−).
- 전지 묶음(배터리): 전지 두 개 이상을 이은 것.
- 플러그 키 또는 스위치: 열림(꺼짐) 또는 닫힘(켜짐).
- 전선 연결점: 전선이 이어지는 곳의 점. 점 없이 교차하면 이어지지 않은 거예요.
- 전구: 안에 가위표나 고리가 있는 원.
- 저항: 작은 직사각형 또는 지그재그 선.
- 가변 저항기: 화살표가 지나가는 저항.
- 전류계: A가 적힌 원, 전압계: V가 적힌 원.
시험에서는 전지, 키, 저항, 직렬 전류계, 저항 양쪽에 병렬로 연결한 전압계가 있는 회로를 그리라는 문제가 자주 나와요. 직선으로 깔끔하게 그리는 연습을 해 보세요.
핵심 공식과 정의
- I = Q / t (전류 = 전하량 ÷ 시간)
- Q = n × e, 여기서 e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- V = W / Q (전위차 = 일 ÷ 전하량)
- 1 A = 1 C/s; 1 V = 1 J/C; 1 mA = 10⁻³ A; 1 µA = 10⁻⁶ A
풀이 예제
1. 30 C의 전하가 1분 동안 전구를 지나갔다. 전류를 구하여라.
t = 60 s. I = Q / t = 30 / 60 = 0.5 A.
2. 2 A의 전류가 5분 동안 흘렀다. 흐른 전하량은 얼마인가?
t = 5 × 60 = 300 s. Q = I × t = 2 × 300 = 600 C.
3. 전위차 12 V에서 4 C의 전하를 옮길 때 한 일은 얼마인가?
W = V × Q = 12 × 4 = 48 J.
4. 1 C의 전하는 전자 몇 개로 이루어져 있는가?
n = Q / e = 1 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 6.25 × 10¹⁸개.
5. 전선에 0.4 A의 전류가 흐른다. 2초 동안 한 지점을 지나가는 전자는 몇 개인가?
Q = I × t = 0.4 × 2 = 0.8 C. n = Q / e = 0.8 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹⁸개.
6. 전위차 3 V인 회로에서 전지가 2분 동안 360 J의 일을 하여 전하를 밀어냈다. 전하량과 전류를 구하여라.
Q = W / V = 360 / 3 = 120 C. t = 120 s 이므로 I = Q / t = 120 / 120 = 1 A.
자주 하는 실수
- I = Q / t 를 쓰기 전에 분을 초로 바꾸는 것을 잊는다.
- 전압계를 직렬로, 전류계를 병렬로 연결한다. 전류계는 직렬, 전압계는 병렬!
- 회로도에서 전류가 − 에서 + 로 흐른다고 말한다. 약속된 전류의 방향은 + 에서 − 이고, − 에서 + 로 움직이는 것은 전자뿐이다.
- 전구에서 전류가 "다 쓰인다"고 생각한다. 전구로 들어가는 전류와 나오는 전류는 같다. 전구가 쓰는 것은 에너지이다.