1. 전기와 전자
1. 전기와 물질
1) 전기 (electricity)
전기는 전하를 가진 두 물체가 거리를 두고 작용하는 자연의 기본적인 힘중의 하나로 어떤 물질 특히 호박 (amber)이나 유리 등을 비단이나 모피 등으로 문지르면 가벼운 깃털이나 종이 등을 끌어당기는 능력이 발생되는데 이러한 현상을 전기라 한다.
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자연의 4가지 기본력 :
중력 (gravitational force, gravity) ,전자기력 (electromagnetic force)
핵력 (nuclear force) ,약력 (weak force)
2) 물질 (matter)
물질은 질량을 가지고 공간을 점유하고 있어 무게를 측정할 수 있으며 고체 (solid), 액체 (liquid), 기체 (gas)의 상태로 존재한다.
고체 (solid) : 응력 (cohesive force) >> 운동력 (kinetic force)
액체 (liquid) : 응력 (cohesive force) < 운동력 (kinetic force)
기체 (gas) : 응력 (cohesive force)<< 운동력 (kinetic force)
2. 물질의 전자이론
matter → molecule → atom : nucleus - proton (+) & neutron, electron (-)
양성자 (proton) : 원소 (element)의 종류를 결정 (그림 2-1)
atomic number 1 : 1 proton - hydrogen , atomic number 6 : 6 proton - carbon
중성자 (neutron) : 양성자와 함께 원자의 질량 (atomic mass, weight)수 결정
전자 (electron) : 원자의 물리적 및 화학적 성질 결정
3. 이온 (ion)
1) 음이온 (anion) - oxidation (loss electron) ; acid radical - SO42-, NO3-, Cl-
2) 양이온 (cation) - reduction (gain electron) ; base, salt, alkaloid, metal
4. 물질의 결합
1) 공유결합 (covalent bond)
2) 이온결합 (ionic bond)
3) 금속결합 (metalic bond)
4) 반 데르 발스결합 (Van der Waals bound)
2. 전하와 전류
1. 전하 (electric charge, Q)
임의의 물리량
단위 : C (coulomb)
표 2-1. 소립자의 질량과 전하량
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입 자 질 량 (kg) 전하량 (C)
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양성자 1.673 x 10-27 + 1,602 x 10-19
중성자 1.675 x 10-27 0
전자 9.110 x 10-31 - 1,602 x 10-19
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물체는 전자를 얻거나 또는 잃음으로써 전하를 획득한다.
같은 종류의 전하 끼리는 반발, 다른 종류의 전하끼리 끌어 당기는 특징 (그림 2-4).
쿨롱의 법칙 (Coulomb's law)
QA QB
F= k -----
r2
2. 정전기 (static electricity)
마찰전기 (frictional electricity)
3. 전류 (electric current)
전류 : 전자의 흐름이다
전자의 방향 : (-) → (+)
전류의 방향 : (+) → (-)으로 흐른다 (편의상 가정)
그림 2-5. 전자와 전류의 흐르는 방향.
① 두 점 사이에 전하가 흐를 수 있는 길이 있어야 한다.
② 두 점 사이에 전위차 (potential difference)가 있어야 한다.
4. 전기의 전도
1) 도체 (conductor)
도체 : 전자가 자유롭게 움직일 수 있는 물질
good conductor : metal, carbon, graphite, waterly solution, acid, wet wood
partial conductor : paper, alcohol, tap water, moist air, kerosene 등
2) 절연체 (insulator)
유전체 (dielectric substance) 또는 부도체 (non-conductor)라고도 한다
비금속 고체 : amber, glass, paraffin, hard rubber, pocelain
일부의 액체 : distilled water
중성 기체 : dry air
3) 반도체 (semiconductor)와 초전도체 (superconductor)
표 2-2. 도체와 절연체
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양도체 부분도체 절연체
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금속 종이 호박 및 유리
탄소 알코올 딱딱한 고무
흑연 등유 파라핀
수용액 보통물 증류수
산 젖은 공기 마른 공기
젖은 나무 마른 나무 초자,도자기
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5. 전류전도의 형태
1) 전도전류 (conductive current) ;도체를 따라 흐르는 전류를 전도전류라 한다.
2) 이온화전류 (ionic curent) ;액체, 전하를 띤 분자 기체 등 이온이동에 의한 전도
3) 변위전류 (diaplacement current) ;부도체(절연체, 비금속고체)에서 미약한 전류
지속적으로 흐르는 전류가 아니고 전자가 궤도에서 변위되어 나타난다
예) 축전기의 판 사이에서 발생하는 전류
6. 저항 (resistance)
전류의 흐름을 방해하는 저항작용
운동을하는 전자가 정지해 있는 원자와 충돌하여 발생 하는 현상
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도체의 저항에 영향을 주는 3가지 기본 요인
도체의 구성물질 : 물질의 비저항 (ㄒ) ↑ - 저항 ↑
도체의 단면적 : 도체의 단면적 (A) ↑ - 저항 ↓
도체의 길이 : 도체의 길이 (L) ↑ - 저항 ↑
온도 : 도체의 온도 ↑ - 저항 ↑
전압 : 전압 ↑ - 저항 ↓
옴법칙 (Ohm's law)
L
R = ㄒ ---
A
V
I = ----
R
7. 기전력 (electromotive force)과 전압 (voltage)
1) 기전력 (E, emf) ; 전압을 연속적으로 만들어 주는 힘
예) 축전지, 발전기
2) 전압 ; 두 점간의 전위차, 전류를 흐르게 하려는 압력
8. 전력 (electric power)
단위 시간당 일하는 능력 (1초당 1 joule의 일을 하는 능력)
3. 전류의 효과
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전류의 3대 작용
열작용 : 직류, 교류
화학적작용 : 직류
전자기작용 : 직류, 교류
1. 열효과 (thermal effect)
전류가 도체를 흐를 때 저항을 받아 전기에너지가 열에너지로 전환된다
H = I2Rt (J)
H = 0.24 I2Rt (cal)
주울법칙 (Joule's law) : 도체내에 발생된 총 열량은 전류강도의 제곱에 비례하고, 저항에 비례하며, 통전시간에 비례한다.
예) 전열기, 백열전등, 전기난로
2) 화학적효과 (chemical effect)
(1) 일차반응 (primary reaction) ; 이온의 재분포 현상
염화나트륨 (NaCl)을 물에 녹이면 Na양이온과 Cl 음이온으로 해리
그림 2-6과 같이 전류를 흐르게 하면
일차 화학반응으로 H2O는 H 양이온과 OH 음이온으로 전리된다.
Na+는 음극으로, Cl-는 양극으로 끌리게 된다.
(2) 이차반응 (secondary reaction) ; 새로운 화학물질이 생성
음극 : 4Na + 4H2O → 4NaOH + 2H2
양극 : 4Cl + 2H2O → 4HCl + O2
유리 수소와 유리 산소의 발생비 - 2:1.
그림 2-6. 전해질의 전기분해. 1) 일차 화학적 효과. 2) 이차 화학적 효과.
3) 전자기효과 (electromagnetic effect)
① 자석은 어떤 물질을 흡인하는 성질이 있다.
② 자석은 남극과 북극이 있다 - N (+)극, S (-)
③ 자석은 같은 극끼리는 반발하고 다른극끼리는 서로 끌어당긴다.
④ 자기유도의 성질이 있다.
그림 2-7. 자석 (A)에 자성체인 물질을 접촉하면 자기의 성질이 없던 물질 (B)이 자석이 되는 자기유도현상이 나타난다.
⑤ 자기장 (magnetic field)이 형성된다.
그림 2-8. 자기장에서의 자력선 형성 모습. 1) 막대자석에서의 자력선 형성, 2)서로 다른 극끼리 접근 시켰을 때의 자력선 형성.
오른나사법칙 (right-hand rule) (그림 2-9).
도체를 오른손으로 잡고 엄지손가락이 전류의 방향을 가리키게하면
도체를 감싸는 나머지 손가락은 자기장과 같은 방향을 이룬다.
그림 2-9. 전류와 자기장의 방향.
전류에 의해서 발생된 자기장의 세기 (B)는 전류 (I)에 비례하고 도체까지의 수직 거리 (r)에 반비례한다.
I
B = k ----
r
그림 2-10. 자기유도. 자석이 코일쪽으로 움직이면 전류가 발생한다. L은 코일, M은 자석, G는 검류계, 화살표는 자석의 움직이는 방향이다.
자기에 의해서 전류가 발생하여 코일속을 지나는 자속 (magnetic flux)이 변화함에 따라 코일에 기전력이 유도되는 현상을 전자기유도 (electromagnetic induction) 작용이라 하고, 이때의 기전력을 유도기전력 (induced emf)이라 하며 유도기전력에 의한 전류를 유도전류 (induced current)라 한다.
그림 2-11. 코일의 인덕턴스. 코일의 감은 폭,길이, 단면적, 철심의 특성에 따라 인덕턴스가 다르다.
유도기전력의 크기는 자기장의 변화율과 도체의 인덕턴스 (inductance)에 영향을 받는다.
그림 2-12. 자기유도와 상호유도.
1) 코일 (N)에 전류 (i)를 흘리면 자기유도에 의해 기전력 (eL)이 발생한다.
2) 1차 코일 (N1)에 전류 (i)를 흘리면 기전력 (eL)이 유도되고 2차 코일에도 자속 (ㄖ)이 관통하여 유도기전력 (eM)이 발생한다.
4. 전기용어와 단위
전류량 (amperage) 수량 (rate of flow) 혈류량
전압 (voltage) 수압 (pressure) 혈압
발전기 (dynamo) 펌프 (pump) 심장
전력 (wattage) 수력 (water power)
전선 (conductor) 관 (pipe) 혈관
스위치 (switch) 판 (valve) 판막
스위치폐쇄 (switch closed) 개판 (valve open)
스위치개방 (switch open) 폐판 (valve closed)
전기회로 (electric circuit) 수로 (water circuit) 혈관망
누전 (short circuit) 누수 (pipe leaking) 출혈
회로개방 (open circuit) 폐관 (pipe stopped up)
전압계 (ammeter) 압력계 (water meter) 혈압계
전류계 (voltmeter) 유수계 (pressure gauge) 혈류측정기
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2. 전기 용어와 단위
전기에는 많은 용어가 사용되고 있으며 전기양의 기호와 단위가 여러가지가 사용되고 있다. 표 2-5는 국제단위계 (SI)에서 사용하는 전기의 기본단위 및 보조단위와 이의 유도단위이다.
1) 전하 (elctric charge, charge)
전하 (Q)는 물질을 구성하고 있는 소립자의 물리량을 표현하는 기본적인 것이다.
전하 또는 전기량 (Q)은 전자 및 양성자가 갖고 있는 전하량이며 단위는 쿨롱 (C, Coulomb)이다.
2) 전류 (electric current)
전류 (I)는 전위차가 있는 두 점간의 도체를 흐르는 전자의 이동이다. 상징은 I이며 단위는 A (ampere) 또는 C/s (coulomb per second)이다.
1 A는 1초 동안에 1 C의 비율로 전기량이 임의의 지점을 지나갈 때의 세기이다. 즉 1초 당 6.24 x 1018개의 전자의 흐름이다.
1 A = 1 C/s = flow of 6.24 x 1018 electrons/second
1 mA (milliampere) = flow of 6.24 x 1021 electrons/second
3) 전압 (voltage)
전압 (V)은 두 점간의 전위의 차이로 1 Ω의 저항을 통해 1 A의 전류를 운반하는데 필요한 기전력이다. 단위는 V (volt)이다.
1 volt = 1 J/C
V = IR (V)
4) 기전력 (electromotove force)
기전력 (E, emf)은 전지나 발전기와 같이 전원이 계속해서 전압을 만드는 힘이다. 단위는 V (volt)이다.
E = A x R (V)
5) 전력량
전기가 하는 일을 전력량 (W)이라하며 단위는 J (joule)이다. 그러나 J의 단위가 너무 적기 때문에 실용적으로는 Wh (Watt.hour)의 단위를 쓴다.
W = VIt (J)
W = VIT (Wh, kWh)
6) 전력 (electric power)
전력 (P)은 1초간 일을 하는 전력량으로 단위는 W (watt, erg/s)이다. kW (kilowatt)단위를 많이 사용한다.
P = W/t = VIt/t = VI (W)
P (전력) I (전류) V (전위차)
7) 전기저항 (electric resistance)
저항 (R)은 점류가 통하기 힘든 상태를 나타내는 물리량으로 단위는 Ω (ohm)이다.
R = V/I (Ω)
8) 비저항 (resistivityヌ specific resistance)ド
비저항 ()은 단위 길이에 대한 물질의 전기저항이다. 전기저항은 길이의 역수에 비례하며 그때의 비례정수를 말하며 단위는 Ω.m (ohm meter )이다.
9) 도전율 (conductance)
도전율 ()은 전기전도율, 비전기전도도(specific electric conductivity)라고도 한다. 도체속을 흐르는 전류밀도는 전장의 강도에 비례하는데 이 비례정수를 도전율이라한다. 즉 저항의 역수를 도전율이라 하며 단위는 Ω (ohm)이다.
G = 1/R (Ω)
10) 주파수 (frequency)
주파수 (f)는 교류전류의 위상이 양과 음으로 완전히 한 쌍을 반복한 싸이클이 1초동안에 나타난 수를 말하며 단위는 Hz (Hertz), cps (cycle per second), pps (pulse per second)이다.
11) 파장 (wave length)
파장 ()은 파상 (wave)에서 동일 위상에 있는 서로 인접한 2점간의 거리 즉 완전한 파형에서 능 (crest)과 능사이를 말하며 단위는 m (meter)이다.
12) 임피던스 (impedence)
코일과 콘덴서 및 저항을 포함함 전기회로내에서 교류전류가 흐를 때의 전류에 대한 전압의 비율을 임피던스 (Z)라 하며 단위는 Ω (ohm)을 사용한다.
13) 콘덴서 (condensor) 또는 축전기
금속판을 서로 맞대어 배열하여 서로 절연시켜서 전하를 축전하는 도구이다. 즉 정전유도를 이용하여 전기를 축전하는 도구이다.
14) 정전용량 (capacitance)
콘덴서가 전하를 축적하는 크기이다. 즉 1 V의 전압을 가했을 때 극판에 1 C의 전하를 축전하는 용량이다. 정전용량 (C)의 단위는 F (farad) 또는 C/s (coulomb/second)이다. Farad이 너무 크기 때문에 100만분의 1인 ㄍF (microfarad) 또는 pF (picofarad)을 쓴다.
C = Q/V (F)
15) 용량리액탄스
교류전류를 방해하고 전류가 전압보다 앞서게 하는 capacitance의 작용을 한다. 리액턴스 (X)의 단위는 Ω (ohm)이다.
16) 인덕턴스 (inductance)
전류흐름의 어떤 변화에 반항하는 회로의 요소이다. 인덕턴스 (L)의 단위는 H (henry)이다.
17) 인덕터 (inductor) ; 회로에 인덕턴스를 만들기 위해 사용하는 전선코일이다.
18) 전기화학당량 (electrochemical equivalent, ECE)
전극반응에서 1 C의 전하가 전극상과 용액상의 계면을 통해 이동하는 것에 의해 석출 또는 용해하는 원자 또는 원자단 (radical)의 그램수를 그 원자 또는 원자단의 전기화학당량이라 한다. 즉 전해질에서 1 C의 전기량으로 석출되는 물질의 양을 전기화학당량이라 한다.
표 2-5. 전기양의 기호와 단위 및 명칭
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양 기호 기본단위 명칭
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전하 (charge) Q C Coulomb
전류 (current) I A ampere
전압 (voltage) V V volt
기전력 (EMF) E V volt
전력 (power) P W watt
저항 (resistance) R Ω ohm
리액턴스 (reactance) X Ω ohm
임피던스 (impedence) Z Ω ohm
인덕턴스 (inductance) L H henry
전기용량 (capacitance) C F farad
주파수 (frequency) f Hz Hertz
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