#4 - 전기회로의 심장 : 전압과 전류, 그리고 배터리

 

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앞서 이야기했듯, 전자가 끊임없이 흐르게 하려면 단순히 길이 연결된 '회로'만으로는 부족합니다. 전자들을 그 길을 따라 움직이게 할 무언가가 더 필요하죠.튜브 속의 구슬이나 파이프 속의 물이 스스로 움직이지 않는 것처럼, 전자의 흐름을 시작하게 만들려면 어떤 '영향력 있는 힘'이 있어야 합니다. 전자의 경우, 이 힘은 정전기에서 보았던 것과 같은 전하의 불균형(imbalance of electric charge)에서 나옵니다.

왁스와 양모를 문질렀던 예를 다시 떠올려 봅시다. 왁스는 전자가 과잉되어 음전하(-)를 띠고, 양모는 전자가 부족해 양전하(+)를 띠게 됩니다. 이 불균형 때문에 두 물체 사이에는 서로를 끌어당기는 힘이 생깁니다.

만약 이 왁스와 양모 사이에 전기가 통하는 도선(conductor)을 연결하면 어떻게 될까요? 왁스에 쌓여 있던 과잉 전자들은 부족한 곳을 찾아가기 위해 도선을 타고 양모 쪽으로 이동하게 됩니다. 즉, 전자의 흐름(전류)이 발생하는 것이죠.

왁스와 양모 사이의 전하 불균형은 일종의 '힘'을 만들어냅니다. 전자가 이동할 길이 없을 때 이 힘은 그저 두 물체를 서로 끌어당기는 인력으로만 작용합니다. 하지만 도선이 연결되어 길이 생기면, 이 힘은 전자를 도선을 따라 한 방향으로 흐르게 만드는 원동력이 됩니다. 이 흐름은 전하의 불균형이 해소되어 두 물질 사이의 힘이 사라질 때까지, 아주 짧은 순간이라도 지속됩니다.

전압: 전기적 위치 에너지

두 재료를 문질러 전하를 분리하는 과정은 일종의 에너지 저장 과정입니다. 이는 낮은 연못에 있던 물을 펌프로 퍼 올려 높은 저수지에 저장하는 것과 원리가 똑같습니다.

높은 저수지에 저장된 물은 중력의 영향을 받아 다시 아래로 내려가려는 힘을 가집니다. 이때 저수지와 연못을 파이프로 연결해주면, 물은 중력에 이끌려 파이프를 타고 힘차게 쏟아져 내립니다.

물을 높은 곳으로 퍼 올리는 데는 에너지가 듭니다. 그리고 물이 다시 내려오는 과정은 저장되었던 그 에너지가 방출되는 과정입니다. 더 높이 펌프질할수록 더 많은 에너지가 필요하고 저장되며, 다시 내려올 때 더 많은 에너지가 뿜어져 나옵니다.

전자도 마찬가지입니다. 왁스와 양모를 문지르는 행위는 전자들을 원래 있던 안정적인 위치에서 억지로 떼어내 '펌프질'하는 것과 같습니다. 전자들은 다시 원래 자리(원자핵 주변의 균형 상태)로 돌아가려 하고, 이 복원력이 바로 두 물체 사이의 힘이 됩니다. 전자를 끌어당기는 이 힘은 물을 아래로 당기는 중력과 매우 흡사합니다.

물을 펌프질해 위치 에너지를 만드는 것처럼, 전자를 이동시켜 전하 불균형을 만들면 그 불균형 속에 에너지가 저장됩니다. 그리고 물길을 터주면 물이 흐르듯, 전자가 돌아갈 길(도체)을 만들어주면 전자가 흐르면서 저장된 에너지가 방출됩니다.

이처럼 전자가 정지된 상태로 쌓여 있을 때(높은 저수지의 물처럼), 우리는 그곳에 '위치 에너지(Potential Energy)'가 저장되어 있다고 말합니다. 아직 흐르지 않았지만 언제든 방출될 잠재력을 가지고 있기 때문입니다. 건조한 날 카펫 위에서 발을 끌면 우리 몸에 전자가 쌓여 에너지가 저장되지만, 우리는 이를 느끼지 못합니다. 하지만 문고리를 잡는 순간, 그 잠재된 에너지가 손끝을 통해 순식간에 방출되면서 '찌릿!'하는 전기 충격을 느끼게 되죠.

이러한 전기적 불균형 상태에 저장된 잠재적 에너지, 즉 전자를 흐르게 할 수 있는 능력을 우리는 '전압(Voltage)'이라고 부릅니다. 기술적으로 말하자면 전압은 단위 전하당 위치 에너지를 측정한 값입니다.

정전기에서의 전압: 전하를 한곳에서 다른 곳으로 옮기기 위해 필요한 일의 양. (균형을 유지하려는 힘에 저항해서 수행한 일)

전원(배터리 등)에서의 전압: 전자를 도체를 통해 이동시키기 위해 사용할 수 있는 잠재적 에너지의 양.  

전압은 항상 '두 지점 사이'의 차이
전압은 전자가 한 '높이(Level)'에서 다른 '높이'로 이동할 때 방출될 수 있는 에너지의 잠재력을 뜻하므로, 항상 두 지점 사이의 상대적인 값으로 표현됩니다. 물 저장소 비유를 다시 봅시다.

높이 차이 때문에, 물이 위치 1로 떨어질 때보다 위치 2로 떨어질 때 훨씬 더 많은 에너지가 방출됩니다. 이는 바위를 떨어뜨리는 것과 같습니다. 1피트 높이에서 떨어뜨린 바위보다 1마일 높이에서 떨어뜨린 바위가 훨씬 강력한 충격을 주겠죠? 바위의 무게(물의 양)만으로는 충격을 알 수 없습니다. '어디서 어디까지 떨어지느냐(낙차)'가 중요합니다. 전압도 마찬가지입니다. 전자를 한 지점에서 다른 지점으로 이동시키는 힘은 그 두 지점 사이의 상태에 달려 있습니다. 그래서 전압은 항상 '두 지점 간의 전압'으로 표현하며, 물체가 떨어지는 것에 빗대어 '전압 강하(Voltage Drop)'라고 부르기도 합니다.

전압원과 배터리의 원리

전압은 문지르는 마찰 전기 외에도 화학 반응, 빛(복사 에너지), 자기장 등 다양한 방법으로 만들 수 있습니다. 배터리, 태양 전지, 발전기(자동차의 알터네이터)가 대표적인 예입니다. 지금은 각각의 원리를 깊게 파고들기보다, 이들이 회로에서 어떻게 전자를 흐르게 하는지 이해하는 것이 더 중요합니다.

가장 친숙한 전압원인 배터리를 기호로 표시하여 회로를 만들어 봅시다.

모든 전압원은 연결을 위한 두 개의 점을 가집니다. 위 그림에서는 점 1과 점 2입니다. 길이가 다른 수평선들은 배터리를 나타내는 기호이며, 동시에 전압이 전자를 밀어내려는 방향을 알려줍니다. 기호 속 선들이 떨어져 있어서 전자가 못 지나갈 것처럼 보이나요? 걱정하지 마세요. 이 기호는 내부의 화학 물질과 금속판이 상호작용하여 전압을 만들어내는 상태를 상징적으로 보여줄 뿐입니다. 기호 옆의 작은 '+'와 '-' 표시에 주목해 주세요.

짧은 막대 쪽: 음극(-)

긴 막대 쪽: 양극(+)  

우리는 전자를 '음전하'라고 부르기로 약속했으므로(고마워요, 벤자민 프랭클린!), 배터리의 음극(-)은 전자가 밖으로 나가려는 쪽(밀어내는 쪽)이고, 양극(+)은 전자가 들어오려는 쪽(당기는 쪽)입니다.

만약 배터리의 단자가 아무 곳에도 연결되어 있지 않다면 어떨까요? 두 지점 사이에 전압(밀어내는 힘)은 존재하지만, 전자가 이동할 길이 없으므로 전자의 흐름은 없습니다.

물 펌프에 파이프를 연결하지 않으면 물이 순환하지 못하는 것과 똑같습니다. 지속적인 흐름을 위해서는 반드시 완전한 경로(회로)가 필요합니다.

이제 배터리의 양 끝을 전선으로 연결해 봅시다. 고리 모양의 회로가 만들어지면, 전자의 연속적인 흐름이 시계 방향으로 시작됩니다.

배터리가 전압을 계속 공급하고 전선이 끊어지지 않는 한, 전자는 회로를 따라 계속 돕니다. 물이 파이프를 흐르는 것처럼, 전자가 지속적이고 균일하게 흐르는 것을 우리는 '전류(Current)'라고 부릅니다. 전압원이 한 방향으로만 계속 밀어준다면 전자의 흐름도 한 방향으로만 유지됩니다. 이를 '직류(Direct Current)', 줄여서 DC라고 합니다. (전류 방향이 주기적으로 바뀌는 교류(AC)는 나중에 다루겠습니다.)

직류 회로의 특징

전류는 튜브 속의 구슬이나 파이프 속의 물처럼, 앞의 전자를 뒤의 전자가 밀어내며 다 같이 움직이는 흐름입니다. 따라서 단일 회로 내에서는 어느 지점에서나 흐르는 전자의 양(전류의 세기)이 동일합니다. 도선이 굵든 얇든, 길든 짧든 상관없이 특정 지점을 통과하는 전자의 수는 회로의 다른 어느 부분과도 같습니다.

하지만 회로가 어느 한 곳이라도 끊어지면, 전체 흐름이 멈춥니다. 그리고 배터리가 만들어내는 전체 전압은 끊어진 그 틈 사이, 즉 단절된 전선 끝부분에 걸리게 됩니다.

끊어진 부분 끝에 표시된 '+'와 '-'를 보세요. 그리고 배터리 단자의 '+'와 '-'와 비교해 보세요. 이 표시들은 전압이 전자를 밀어내려는 방향, 즉 '극성(Polarity)'을 나타냅니다. 전압은 항상 상대적이라는 것을 기억해야 합니다. 그래서 '전압 강하'의 극성 또한 두 점 사이의 관계에 따라 달라집니다. 어떤 지점이 (+)인지 (-)인지는 비교 대상이 되는 다른 지점이 어디냐에 따라 결정됩니다. 다음 예시를 통해 확실히 이해해 봅시다.

만약 2번과 3번 사이가 끊어졌다면?
끊어진 틈 사이의 전압 극성은 2번이 (-), 3번이 (+)가 됩니다. 배터리의 힘(1번이 -, 4번이 +)이 전자를 1→2→3→4 방향(시계 방향)으로 밀어내려 하기 때문입니다.

그럼 2번과 3번을 다시 연결하고, 이번에는 3번과 4번 사이를 끊어봅시다.

이 경우 3번과 4번 사이 전압의 극성은 4번이 (+), 3번이 (-)가 됩니다.
눈치채셨나요? 첫 번째 예시(2-3 단절)에서는 3번 점이 '+' 쪽에 있었는데, 이번에는 '-' 쪽이 되었습니다. 이처럼 회로에서 "3번 점은 무조건 플러스다"라고 말할 수는 없습니다. 전압과 마찬가지로 극성 또한 한 점의 고유한 성질이 아니라, 항상 두 점 사이의 상대적인 관계이기 때문입니다!

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Core Summary

• 전자들은 정전기에서 나타나는 것과 같은 힘에 의해 도체를 통해 흐르도록 유도될 수 있습니다.
• 전압은 두 위치 사이의 특정 위치 에너지(단위 전하당 위치 에너지)의 측정값입니다. 쉽게 말해, 전자를 움직이게 하는 '밀어주는 힘'의 측정치입니다.
• 전압은 위치 에너지의 표현으로서, 항상 두 지점 간의 상대적인 값입니다. 때때로 이를 전압 '강하'라고도 합니다.
• 전압원이 회로에 연결되면, 전압은 회로를 통해 전자의 균일한 흐름인 전류를 발생시킵니다.
• 단일(한 루프) 회로에서는 어느 지점의 전류량이 다른 지점의 전류량과 동일합니다.
• 전압원을 포함한 회로가 끊어지면, 그 끊어진 지점 양쪽에 전압원의 전체 전압이 나타납니다.
• 전압 강하의 +/- 방향을 극성이라고 하며, 이것 또한 두 지점 간의 상대적인 값입니다.

[대부분의 이미지 출처 : Volume I - D.C.]