전기 개론

1.1.1 전기(electricity) 개론

 오늘날 전기의 본질을 다음과 같이 설명하고 있다. 모든 물질은 매우 작은 분자 또는 원자의 집합으로 되어 있으며, 이들 원자는 양전기를 가진 원자핵(atomic nucleus)과 음전기를 가진 전자(electron)라는 미립자(微粒子)로 구성된다. 원자는 마치 태양 주위를 지구가 돌고 있는 것과 같이, 원자핵을 중심으로 하여 다음 그림과 같이 몇 개의 전자가 일정한 궤도 위에서 자전하면서 돌고 있다.

[그림 1.1.1] 원자의 구조

이 중에서 수소 원자는 가장 간단한 결합이며, 다음 그림의 (a)와 같이 단순히 원자핵과 1개의 전자로 구성되어 있다.

[그림 1.1.2] 원자핵과 전자의 결합

이러한 수소의 원자핵을 양성자(proton)라 한다. 그러나, 다른 원자핵의 구조는 수소와 같이 간단한 것이 아니며 위 그림의 (b), (c)와 같이 바깥쪽을 돌고 있는 전자와 같은 수의 양성자와 전기를 전혀 가지지 않은 중성자(neutron)로 구성되어 있다.

 여기서는 전기를 이해하는 데 가장 중요한 양성자와 전자에 대해서만 설명하기로 한다. 현재로는 전자와 양성자에 관하여 다음의 성질이 알려져 있다.

1. 양성자는 양(+)전하, 전자는 음(-)전하를 가지고 있으며, 같은 종류의 전하를 가진 것은 서로 반발하고, 다른 종류 간은 서로 끌어당긴다.

2. 전자의 질량은 매우 적으며 (9.10955×10-31kg), 양성자는 전자보다는 매우 무겁고 ( 1.67261×10-27kg), 전자의 약 1,840배다.

3. 한 개의 전자와 양자가 가지는 음전기와 양전기의 양의 절대값은 같다. (1.60219×10-19 C)

이와 같이, 양성자와 전자를 가진 모든 물질은 같은 수의 전자와 양자를 가지고 있으므로 서로 중화되어, 외부에는 전기의 성질을 나타내지 않는 중성(neutral) 상태에 있다.

 그리고, 금속의 경우는 원자핵을 돌고 있는 전자 중에서 가장 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자는 원자핵과의 결합이 약하므로, 이들 전자는 원자핵을 떠나서 물질 안에서 자유로이 움직이는 성질이 있다.

[그림 1.1.3] 도체 내부에서 자유전자의 자유로운 이동

이와 같은 전자를 자유 전자(free electron)라고 한다. 전기의 여러 가지 현상은 거의 이들 자유 전자의 작용에 의한 것이다.