중2: 2. 전기와 자기

이전 단원(중2: 원소)에서 이온화 현상에 대해 공부했습니다. 또한 전기분해를 통해 원소를 분리해 냈습니다. 전기는 어디서 왔을까요? 우리는 마찰력에서 힌트를 얻었습니다. 이렇게 이동된 전기는 다시 평형상태로 돌아가려는 힘을 가지고 있습니다.(전압)

전압을 이용해서 회로(직렬, 병렬)를 를 구성하면 전류가 흐릅니다. 그리고 전류가 흐르는 도선의 주위에 자기장을 생성됩니다. 우리는 나침판으로 생성된 자기장의 방향을 검출할 수 있습니다.

만약 이미 자기장이 형성되어 있다면, 전류가 흐르고 있는 도선은 생성된 자기장이 기존의 자기장에 순응하는 방향으로 힘이 발생합니다. 이 단원에서 전기적 성질에 대한 몇 가지 규칙에 대해서 알아봅니다.

마찰전기

이미 고대 그리스시대부터 마찰을 일으키면 정전기가 일어난다는 사실을 알고 있었습니다.

털가죽과 플라스틱 막대(또는 빨대)의 마찰실험:
  머리카락, 은박지, 검전기의 반응을 관찰한다.
결론: 마찰된 물체에서 끌어당기는 힘이 생성됩니다.
자바실험실, 검전기 저작권 정책(CC-BY)
네온전구 실험: 마찰된 물체를 이용하여 전구를 켜본다. (실험영상)
마찰전기가 발생한다는 사실은 분명히 밝혀졌지만 왜 발생하는지에 대한 사실은 2023년 열전기 충전효과에 대해서 입증이 진행되고 있습니다. (마찰전기는 마찰시 발생하는 열로인한 전기충전과 방전으로 설명 및 계산 할 수 있다 국문 논문: 마찰전기 충전 논문 신의철, 고재현, 여호기, 김용현. (2023). 마찰전기 충전 및 계열의 지배 규칙에 대한 유도. 한국물리학회지, 66(4), 418-423. 국외 논문: 마찰전기 충전 논문 "Derivation of a governing rule in triboelectric charging and series from thermoelectricity." Shin, E.-C., Ko, J.-H., Lyeo, H.-K., & Kim, Y.-H., Physical Review Research, 2(3), 033131. (2023) 유튜브: 마찰전기 충전 논문 소개 Youtube영상 : 수천 년 동안의 난제, 마찰전기의 비밀이 밝혀졌다?! [초긴급과학] )
결론: 마찰된 물체는 전기력을 띕니다.
정전기로 전기를 모으는 실험(라이덴 병) "500px-Andreas_Cunaeus_discovering_the_Leyden_jar.png", Chetvorno, wikimedia.org, public domain

원자핵-전자 모델에서 이 현상을 설명 할 수 있는지 알아보아야 합니다. 검전기를 이용했을 때, 금속박이 떨어지는 이유는 전자가 이동했다고 가정합니다. 검전기의 양 은박직가 같은 극을 띄기 때문에 은박지가 벌어지고, 손으로 방전시켰을 때 다시 오므라드는 것은 기존의 원자핵-전자 모델이 수정될 필요가 없음을 시사합니다. 최초의 축전기는 라이덴병(Leyden jar)으로 알려져 있습니다(1745-1746).

회로

회로도 "simple-circuit.svg", iseohyun, 2024, CC-BY-SA 4.0

전하가 원래의 위치로 가려는 힘, 전기적 중성(평형)을 이루려는 힘을 전압(voltage)이라고 합니다. 전하가 방전 될 때는 가장 쉬운 방법으로 방전되려는 경향을 보입니다. 이때 전하의 흐름을 전류(current)라고 합니다. 우리는 도선을 이용해서 방전 경로를 유도 할 수 있습니다. 이를 전기 회로(Electrical network, -circuit)라고 합니다. 회로는 전자의 흐름을 최대한 방해하지 않는 도체로 이루어져 있습니다. 전자의 흐름을 방해하는 것을 저항(resistance)이라고 합니다.

옴의 법칙

저항의 앞과 뒤의 전압이 다릅니다. 그 말은 전류가 저항을 통과하면서 일을 했다는 의미가 됩니다.

V = IR

옴의 법칙의 의미는 전압이 같을 때(같은 베터리)에서, 저항이 크면 전류가 작고(소모가 작고), 저항이 작으면 전류가 크다(소모가 많다)가 됩니다. 실제로 여러 가전제품에서 전력량(P = IV )을 얼마나 많이 사용하는가에 따라 전기세를 납부해야 합니다. 저항을 연결하는 방식에는 직렬 연결(series circuit)과 병렬 연결(parallel circuit)이 존재합니다.

직렬회로 vs 병렬회로 "parallelVSseries.svg", iseohyun.com, 2024, CC BY-SA 4.0
직렬연결 vs 병렬연결
직렬연결 병렬연결
특징 전압에 문제가 있을 때, 다른 소자를 보호한다 다른 소자의 영향을 거의 받지 않는다.
예 퓨즈, 누전차단기 가전제품

자기장

*자석 실험: 자석 주위에 철가루와 나침판을 놓고 변화를 관찰한다.
자바실험실, 막대자석 주위의 자기장 저작권 정책(CC-BY)
결론: 자석 실험에서 자석 주위에 자기장(magnetic field)이 생성된 것을 알 수 있습니다.

나침판의 N극은 S극에 끌리고, S극은 N극에 끌립니다. 따라서 자기장이 흐르는 방향을 N->S라고 정의하므로, 나침판에서 자기장의 방향은 S극 바늘이 가리키는 방향이 됩니다.

*코일 실험: 코일에 전류를 흘렸을 때, 철가루의 변화를 확인한다.
자바실험실, 원형 도선 주위의 자기장 저작권 정책(CC-BY)
결과: 자석과 동일하게 철가루와 나침판이 동작하는 것을 확인 할 수 있다. 결론: 전류가 흘러도 자기장이 발생한다.

로렌츠 힘

오른손 나선법칙(right-hand Thumb Rule)

전류의 방향을 오른손 엄지손가락으로 하였을 때, 나머지 손가락이 가리키는 방향이 자기장의 방향이 됩니다.

자바실험실, 전선 주위의 자기장 저작권 정책(CC-BY)

오른손 법칙(right-hand rule)

만약 도선에 이미 자기장이 존재한다면, 전류에 의해 새로 생성되는 자기장은 기존의 자기장에 순응하는 방향으로 힘을 받게 됩니다. 통상적으로 양극(+)을 붉은색, 음극(-)을 검은색으로 표시, 사용합니다. 아래 예시에서 전류는 위에서 아래로, 모니터를 뚫고 나오는 방향으로 흐릅니다. 따라서 N/S(자석의 N극이 위에 있는) 상황에서 도선은 오른손 나선 법칙에 의해 아래로 흐르는 자기장이 왼쪽에 위치하려고 하고, 이런 이유에서 도선은 오른쪽으로 힘을 받게 됩니다.

오른손 법칙 "right-hand-grip-rule.svg", iseohyun.com, 2024, CC BY-SA 4.0
오른손 법칙 "right-hand-grip-rule-3d.svg", iseohyun.com, 2024, CC BY-SA 4.0
자바실험실, 전자기력, 로렌츠 힘 저작권 정책(CC-BY)

이야깃거리

단어

영단어
No 영어 국어
1 electrification 대전
2 electrified body 대전체
3 attraction 인력
4 repulsion 척력, 반발력
5 voltage 전압
6 current 전류
7 electrical network 전기 회로
8 resistance 저항
9 series circuit 직렬 연결
10 parallel circuit 병렬 연결
11 compass 나침반
12 right-hand thumb rule 오른손 나선법칙
13 right-hand rule 오른손 법칙
14 magnetic field 자속밀도

퀴즈