전기는 눈에 안 보이는데, 왜 불은 켜질까?
스위치를 누르면 불이 켜진다. 그런데 전선 안에 불빛이 들어 있는 걸까? 전기를 작은 알갱이나 특별한 액체처럼 생각하면 곧 헷갈린다. 전기는 전하 때문에 나타나는 여러 현상을 묶어 부르는 말이다. 번쩍하는 정전기와 전선을 따라 흐르는 전류가 모두 그 안에 들어간다.
여기서 처음 잡을 말은 하나다. 전하. 아직 외울 필요는 없다. 어떤 입자가 다른 입자와 전기적으로 밀거나 당기는 데 관계하는 성질이라고 생각해두자. 무게를 나타내는 질량처럼, 전하도 물리학에서 따로 재는 양이다.
불이 켜지는 원리는 전기가 어디에서 생겼는지만으로 끝나지 않는다. 무엇이 움직일 수 있는지, 움직일 길이 있는지, 에너지가 어디로 전달되는지도 함께 봐야 한다. 그래서 전선을 들여다보기 전에 우리 주변 물질부터 작게 나눠 보기로 했다.
우주 이야기에서 시작하는 이유
우주에 있는 별, 지구의 바위, 내 손에 든 물컵은 아주 달라 보인다. 그래도 우리가 일상에서 만지는 보통의 물질은 원자와 연결해서 설명할 수 있다. 원자를 알아두면 금속 전선 안에도 왜 전자가 있는지 이해하기 쉬워진다.
수소와 헬륨의 많은 부분은 초기 우주에서 만들어졌고, 탄소·산소처럼 우리 주변의 여러 원소는 별의 내부나 별의 마지막 과정에서 만들어졌다. 원소는 원자를 종류별로 구분하는 이름이다. 양성자 수가 다르면 원소 종류도 달라진다.
다만 “우주의 모든 것은 원자다”라고 적으면 틀린다. 빛은 원자로 된 물건이 아니고, 암흑물질의 정체도 아직 밝혀지지 않았다. 별 속의 뜨거운 물질은 전자가 원자핵에서 떨어진 상태일 수도 있다. 여기서는 컵·공기·전선 같은 보통 물질에 집중한다.
공기도 물질일까?
책과 물은 만질 수 있으니 물질이라는 말이 쉽다. 공기는 잘 보이지 않아서 조금 다르다. 그래도 공기는 무게가 있고 공간을 차지한다. 안 보인다고 물질이 아닌 것은 아니다. 풍선 안에 들어가는 공기도 물질이다.
물 한 방울을 아주 작게 나눠 생각하면 물 분자를 만난다. 분자는 원자들이 붙어 만들어진 작은 묶음이다. 물 분자 하나는 수소 원자 2개 + 산소 원자 1개로 이루어진다. 물을 얼리거나 데운다고 곧바로 원자가 다른 원소로 바뀌지는 않는다.
얼음·물·수증기는 입자들의 간격과 움직임이 달라진 상태다. 그림의 동그라미는 실제 원자의 사진이 아니라 위치와 묶음을 설명하는 표시다. 이 구분을 해두면 “작은 공 모양이 정말 눈에 보이는 걸까?”라는 오해를 줄일 수 있다.
원자도 더 작은 부분이 있다
원자는 원소의 성질을 유지하는 아주 작은 기본 단위다. 그렇다고 더 나눌 부분이 전혀 없는 것은 아니다. 가운데에는 원자핵이 있고, 그 주변에는 전자가 존재한다. 원자핵에는 양성자와 중성자가 들어 있다. 가장 흔한 수소 원자핵은 양성자 하나라서 중성자가 없다.
알아보니 그림에서 자주 보던 전자의 둥근 궤도는 설명을 위한 단순한 모델이었다. 전자가 행성처럼 정해진 선을 빙빙 돈다는 뜻으로 받아들이면 안 된다. 실제 설명에서는 전자를 발견할 가능성이 큰 영역을 생각한다.
원자 크기에 비해 원자핵은 훨씬 작다. 원자 구조 그림에서는 원자핵을 알아보기 쉽게 크게 그렸다. 그래서 원자 내부의 실제 크기 비율이나 전자 위치를 보여주는 사진은 아니다. 핵과 전자를 서로 다른 부분으로 구분하는 데 사용한다.
양성자·중성자·전자는 무엇이 다를까?
셋의 이름이 한꺼번에 나오면 복잡하다. 먼저 전기적 성질만 나눠 보자. 양성자는 양전하, 전자는 음전하를 가진다. 중성자의 전체 전하는 0이다. 플러스와 마이너스는 두 종류를 구분하려고 붙인 이름이다.
전자 하나와 양성자 하나의 전하 크기는 같고 부호는 반대다. 전자와 양성자가 같은 입자라는 뜻은 아니다. 질량도 다르고 구조도 다르다. 원자핵 쪽에 원자의 질량 대부분이 모여 있지만, 전자를 무게가 전혀 없는 입자로 생각해서도 안 된다.
우선 “가운데의 양성자에는 +, 주변의 전자에는 −” 정도로 연결하면 된다. 메모: 입자 이름과 전하 부호를 구분하자. 중성자 이름의 “중성”은 전체 전하가 0이라는 뜻이고, 아무 역할도 없다는 뜻은 아니다.
플러스와 마이너스는 서로 어떻게 만날까?
같은 부호의 전하는 서로 밀어내고, 반대 부호의 전하는 서로 끌어당긴다. 같으면 밀고, 다르면 당긴다. 두 양전하가 서로 멀어지려는 것과 양전하·음전하가 서로 가까워지려는 것을 나란히 그려보면 차이가 보인다.
여기서 “+는 좋은 전기, −는 나쁜 전기” 같은 뜻은 없다. 마이너스라고 전기가 부족하다는 뜻도 아니다. 전자가 더 많아져 전체가 음전하를 띠는 물체도 있다. 부호는 전하 종류와 계산 방향을 구분한다.
물체가 가깝다고 언제나 붙는 것도 아니다. 전기적 힘 말고도 여러 힘과 조건이 작용한다. 아래 조작은 다른 힘을 빼고 전하 부호에 따른 전기적 힘의 방향만 비교하는 작은 모델이다.
부호를 바꾸면 힘의 방향이 어떻게 될까?
서로 끌어당긴다. 두 전하가 가까워지는 방향으로 힘을 받는다.
다른 힘을 제외하고 전기적 힘의 방향만 비교한 모형이다.
중성이면 전자가 없는 걸까?
“전하가 0이다”라는 말을 “전하를 가진 입자가 하나도 없다”로 받아들일 뻔했다. 둘은 다르다. 중성인 원자에도 양성자와 전자가 있다. 양전하의 합과 음전하의 합이 상쇄되어 전체 전하가 0인 것이다.
양성자 6개와 전자 6개를 가진 탄소 원자를 생각해보자. +6e와 −6e를 더하면 0이다. 전자를 하나 더 얻으면 +6e −7e = −e가 되고, 하나 잃으면 +6e −5e = +e가 된다. e는 전자 하나가 가진 전하의 크기를 나타내는 약속이다.
이렇게 전체 전하를 띠는 원자나 분자를 이온이라고 부른다. 전자 수가 바뀌었다고 탄소가 다른 원소로 바뀌는 것은 아니다. 원소 종류를 정하는 것은 양성자 수다. 원자핵을 바꾸는 일과 전자가 이동하는 일은 구별해야 한다.
양성자는 6개, 전자 수만 바꿔보기
+6e − 6e = 0 · 중성
전자를 얻거나 잃어도 양성자 수는 그대로다. 원소 종류는 탄소로 유지된다.
옷을 벗을 때 따끔한 정전기
물체끼리 접촉했다 떨어질 때 전자가 옮겨갈 수 있다. 마찰은 이런 접촉을 반복하고 전하 분리를 돕는 경우가 많다. 한쪽이 전자를 더 얻고 다른 쪽이 잃으면, 각각 음전하와 양전하를 띨 수 있다. 마찰이 전하를 무에서 만드는 것은 아니다.
정전기는 전하가 물체에 불균형하게 남아 있는 상태와 그로 인한 현상을 다룬다. 가까운 물체와 전하가 갑자기 이동하면 작은 방전이 생길 수 있다. 그래서 “정전기”라는 이름이 있어도 그 순간에는 전하가 움직일 수 있다.
중성인 작은 종이도 대전된 물체에 끌릴 수 있다. 종이 속 양·음전하의 분포가 약간 달라져 가까운 쪽의 끌림이 더 강해질 수 있기 때문이다. 끌렸다는 이유만으로 원래 반대 전하였다고 단정하지 않는다.
떨어져 있는데 어떻게 힘이 전달될까?
손으로 밀려면 보통 닿아야 한다. 전하 사이의 전기적 힘은 떨어져 있어도 나타난다. 이를 설명할 때 전기장이라는 말을 쓴다. 어떤 위치에 전하를 놓으면 전기적 힘을 어떻게 받을지를 나타내는 것이다.
그림의 화살표는 작은 양전하를 놓았을 때 힘을 받는 방향이다. 양전하 주변에서는 밖으로, 음전하 주변에서는 안쪽으로 그린다. 화살표가 눈에 보이는 실이나 전자가 지나가는 길이라는 뜻은 아니다.
음전하인 전자는 같은 위치에서 전기장 화살표의 반대 방향으로 힘을 받는다. 이 구분이 있어야 나중에 전류 방향과 전자 이동 방향이 왜 반대인지 이해할 수 있다. 전기장은 방향이 있는 양이고, 전압은 두 지점을 비교하는 다른 양이다.
왜 전선은 금속이고, 겉은 플라스틱일까?
구리 같은 금속에는 전기장에 반응해 물질 안을 이동할 수 있는 전자가 있다. 원자핵과 모든 입자가 통째로 전선 끝까지 달려가는 것은 아니다. 금속의 이동 가능한 전자가 전류를 운반한다.
플라스틱은 일상적인 조건에서 전하가 멀리 이동하기 어렵다. 그래서 금속 선을 플라스틱으로 감싸 다른 물체와 바로 닿지 않게 한다. 전기가 잘 흐르는 물질을 도체, 흐르기 어려운 물질을 절연체라고 부른다. “절연체에는 전자가 없다”는 뜻은 아니다.
도체와 절연체의 구분에는 조건이 붙는다. 매우 큰 전기장이 걸리면 절연도 깨질 수 있다. 소금물에서는 전자만이 아니라 양·음이온의 이동이 전류에 관여한다. 메모: 모든 전류를 금속 속 전자 흐름 하나로 설명하지 말자.
전류는 전자의 빠르기일까?
전류는 단순히 전자가 얼마나 빨리 달리는지를 나타내는 말이 아니다. 한 지점을 단위 시간 동안 지나간 전하량을 보는 양이다. 같은 길이라도 움직일 수 있는 전하가 얼마나 있는지에 따라 전류가 달라질 수 있다.
전하량의 단위는 쿨롱, 기호 C다. 전류의 단위는 암페어, 기호 A다. 한 지점으로 1초에 1C가 지나가면 평균 전류는 1A다. 2초 동안 1C가 지나가면 0.5A다. I = ΔQ / Δt. I는 평균 전류, ΔQ는 지나간 전하량, Δt는 걸린 시간이다.
1C를 전자 1개의 전하라고 생각하면 안 된다. 전자 하나의 전하 크기는 약 1.60 × 10⁻¹⁹C라서 1C는 아주 많은 전자의 전하에 해당한다. 계산 예의 1C는 이해를 위한 가정이며, 실제 전선을 측정한 기록은 아니다.
1C가 지나가는 시간을 바꿔보기
1C ÷ 1초 = 1.00A
전하량은 1C로 같게 두었다. 더 긴 시간에 나눠 지나가면 평균 전류가 작아진다. 막대는 전자 속도가 아니라 평균 전류의 비교다.
전압과 전류는 같은 말이 아니었다
전압이 높다는 말과 전류가 크다는 말은 서로 다르다. 전압은 두 지점 사이에서 전하량 1C당 얼마의 에너지 차이가 있는가를 나타낸다. 전류는 1초 동안 얼마나 많은 전하가 지나갔는지를 나타낸다.
전압의 단위는 볼트, 기호 V다. 에너지 단위는 줄, 기호 J다. 두 지점 사이 3V는 전하량 1C당 에너지 차이가 3J라는 뜻이다. 1V = 1J / 1C. 전압을 말할 때는 무엇과 무엇 사이인지 함께 생각해야 한다.
물을 높은 곳에 올려놓은 비유는 차이를 상상하는 데 도움이 된다. 하지만 전선 안에 물이 있는 것도, 전압이 실제 높이인 것도 아니다. 배터리는 회로에 전압을 유지하며 화학 에너지를 전기적으로 전달하는 역할을 한다. 같은 전압의 배터리라도 저장한 에너지 양은 다를 수 있다.
스위치를 닫으면 무엇이 달라질까?
배터리·전선·저항 같은 부품을 한 바퀴로 연결하면 간단한 회로가 된다. 스위치가 열려 길이 끊기면, 이 직류 회로에서 지속적인 전류가 흐를 수 없다. 스위치를 닫아 돌아오는 길까지 연결하면 전류가 흐를 수 있다.
배터리에서 나온 전자 하나가 전구까지 여행을 마쳐야 불이 켜지는 것은 아니다. 전선 안에는 처음부터 움직일 수 있는 전자가 있다. 회로의 전기적 변화가 전달되면서 각 부분의 전하가 반응한다. 전자의 느린 평균 이동과 전기적 신호 전달 속도는 다르다.
전류의 약속 방향은 양전하가 움직이는 방향이다. 금속 전선의 전자는 음전하라 반대로 이동한다. 전류 화살표와 전자 이동 화살표를 구별해야 한다. 아래 회로는 이상적인 배터리와 저항의 계산 모델이다. 실제 제품 회로나 콘센트 실습 안내가 아니다.
한 바퀴의 길을 연결해보기
길이 끊겼다. 이 이상적인 직류 회로의 지속적인 전류는 0A
표시는 약속된 전류 방향이다. 움직이는 선은 실제 전자 속도를 재현하지 않는다. 배터리·전선·저항을 이상적으로 취급했다.
저항이 있으면 전류는 어떻게 달라질까?
저항은 전류 흐름을 얼마나 제한하는지 나타내는 양이다. 단위는 옴, 기호 Ω다. 동일한 전압에서 저항이 더 크면 전류가 더 작아진다. 다만 아무 부품에나 같은 방식으로 적용하면 안 된다. 여기서는 값이 일정한 이상적인 저항만 놓고 비교한다.
옴의 법칙은 V = I × R이다. 전압 V를 저항 R로 나누면 전류 I가 된다. 예를 들어 3V와 100Ω이면 3 ÷ 100 = 0.03A, 즉 30mA다. mA는 A의 천분의 일이다. 0.03A = 30mA.
전압을 6V로 바꾸고 저항은 100Ω으로 두면 60mA가 된다. 전압을 3V로 두고 저항을 200Ω으로 바꾸면 15mA다. 온도에 따라 저항이 달라질 수 있고, LED 같은 부품은 이 단순한 비례 관계로만 계산하지 않는다.
전압과 저항을 한 가지씩 바꿔보기
3V ÷ 100Ω = 30mA
저항 값이 일정한 이상적인 회로다. 전압을 고정하면 저항이 커질수록 전류가 작아진다. 저항을 고정하면 전압이 커질수록 전류가 커진다.
전구는 전자를 먹어서 빛나는 걸까?
전구나 저항에서 전자가 사라지는 것은 아니다. 간단한 한 갈래 회로에서는 정상 상태일 때 들어오는 전류와 나가는 전류가 같다. 부품이 전달받는 것은 에너지다. 그 에너지가 빛이나 열 같은 다른 형태로 바뀐다.
전력은 에너지가 전달되거나 바뀌는 빠르기다. 단위는 와트, 기호 W다. 직류 예에서 P = V × I다. 3V와 0.03A이면 0.09W다. 1W = 1J / 1초. 같은 전력으로 10초가 지나면 0.09 × 10 = 0.9J의 에너지가 전달된다.
전류 A와 전력 W, 에너지 J를 구별하면 말이 정리된다. 전류는 전하의 흐름, 전력은 에너지 전달의 빠르기, 에너지는 전달된 양이다. 전구 앞뒤로 같은 전류가 흐른다는 말도, 전구가 전하를 먹어서 없애는 것이 아니라는 뜻으로 연결하면 된다.
전기에서 전자로, 흐름을 다루는 일
여기까지는 전하와 전류를 이해하는 기초였다. 전자 회로에서는 이 흐름으로 정보를 표현하고 동작을 제어한다. 센서가 밝기 변화를 전기적 신호로 바꾸고, 회로가 그 신호를 받아 조명의 상태를 조절하는 식이다. 전자 기술은 전기적 신호를 다루는 일과 연결된다.
직류는 전류의 방향이 한쪽으로 유지되고, 교류는 방향이 주기적으로 바뀐다. 직류라고 크기가 항상 일정하다는 뜻은 아니다. 직류·교류 그림의 곡선은 구분을 위한 가상의 신호다. 실제 가정 전압 측정 기록이 아니다. 파란 선이 기준선 위인지 아래인지 보면 방향의 차이가 보인다.
내 말로 다시 적으면 이렇다. 보통 물질에는 전하를 가진 입자가 있다. 전기적 조건과 이동 가능한 길이 갖춰지면 전류가 흐른다. 전압·전류·저항은 서로 다른 양이고, 부품은 에너지를 전달받아 빛이나 열로 바꾼다. 중요: 전기를 이해하는 출발점은 보이지 않는 전하의 성질과 흐름이었다.
확인한 자료
NASA · 별과 원소의 기원 — 초기 우주의 수소·헬륨과 별의 과정에서 만들어지는 원소를 확인했다.
미 에너지부 · 전자 — 전자와 원자핵, 전자 에너지 상태에 관한 설명을 확인했다.
OpenStax · 전하와 전하 보존 — 전하 부호, 원자 구성, 전하 분리와 보존을 확인했다.
OpenStax · 전기장 — 전기장의 정의와 양전하 기준 방향을 확인했다.
OpenStax · 전압 — 전압과 단위 전하당 에너지 차이, 전압과 저장 에너지의 차이를 확인했다.
OpenStax · 전류 — 전류의 정의, 전하 운반과 방향 약속을 확인했다.
OpenStax · 옴의 법칙 — 단순 회로의 전압·전류·저항 관계와 적용 조건을 확인했다.
OpenStax · 전력과 에너지 — 전력과 에너지 계산을 확인했다.
OpenStax · 직류와 교류 — 전류 방향에 따른 직류·교류 구분을 확인했다.
NIST · 국제단위계 — C·A·V·Ω·W·J의 단위 관계와 기호를 확인했다.
미 에너지부 · 전력 전자 — 전기적 흐름과 신호를 조절하고 변환하는 전자 기술의 활용을 확인했다.
본문의 수와 그림은 원리를 풀기 위한 설명 모델이다. 실제 원자의 사진이나 회로 측정 결과가 아니다. 물리 개념과 공식은 확인한 자료를 바탕으로 내 문장과 도식으로 정리했다. 콘센트나 분해한 전기 제품은 실험 대상으로 사용하지 않는다.
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