전류

3. 종류와 밀도

전류는 도체에서 전하가 흐르는 전도 전류와 진공관처럼 대전된 입자가 흐르는 대류 전류로 나뉜다. 전도 전류는 금속과 같은 도체에서 원자는 결합 구조를 유지한 채 전자의 이동만으로 이루어지는 반면, 대류 전류는 대전 입자 자체가 이동하여 발생한다. 대류 전류는 전도 전류와 달리 옴의 법칙을 따르지 않는다.^[55]

전류밀도는 전류 방향에 수직인 단면에서 단위 면적당 전류의 세기를 나타낸다. SI 단위는 제곱미터 당 암페어(A/m²)이다.^[56] 전류와 전류밀도 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

:$I\; =\; \backslash mathbf\{J\}\; \backslash cdot\; \backslash mathbf\{A\}$

: I-전류, J-전류밀도, A-전류가 흐르는 단면적

전류밀도는 전도전류밀도와 대류전류밀도로 구분된다.^[55]

3. 1. 직류와 교류

• 직류(direct current|다이렉트 커런트^영어, 약기: DC): 방향이 바뀌지 않고, 크기가 일정한 전류.
• 맥류(pulsating current|펄세이팅 커런트^영어): 방향이 바뀌지 않고, 크기가 시간에 따라 주기적으로 변하는 전류.
• 교류(alternating current|얼터네이팅 커런트^영어, 약기: AC): 방향이 시간에 따라 주기적으로 바뀌고, 크기가 시간에 따라 주기적으로 변하는 전류.

4. 앙페르의 법칙

5. 옴의 법칙

직류 전기회로에서 전류의 세기는 전원의 전압에 비례하고 회로의 전기저항에 반비례한다. 이를 옴의 법칙이라 한다.^[58]

:$I\; =\; \{\; E\; \backslash over\; R\; \}$

: I-전류, E-기전력(전압), R-전기저항

교류에서는 전기저항 대신 임피던스가 전류의 세기에 관계한다. 따라서, 저항이 직접 관여하지는 않지만 교류에서도 여전히 옴의 법칙이 성립한다고 할 수 있다.^[59]

:$I\; =\; \{\; E\; \backslash over\; Z\; \}$

: I-전류, E-기전력(전압), Z-임피던스

옴의 법칙은 두 점 사이의 도체를 통과하는 전류는 두 점 사이의 전위차에 정비례한다는 것을 설명한다. 비례 상수인 전기 저항^[14]을 도입하면, 이 관계를 설명하는 일반적인 수학 방정식을 얻는다.^[15]

:$$I\; =\; \backslash frac\{V\}\{R\},$$

여기서 ''I''는 도체를 통과하는 전류(단위: 암페어), ''V''는 도체의 양단에서 측정되는 전위차(단위: 볼트), 그리고 ''R''은 도체의 전기 저항(단위: 옴)이다. 보다 구체적으로, 옴의 법칙은 이 관계에서 ''R''이 전류와 무관하게 일정하다는 것을 나타낸다.^[16]

6. 전류의 방향

전기회로에서 실제 전자의 흐름은 음극(-)에서 양극(+)으로 진행한다. 그러나 최초 정의된 전류의 흐름은 실제 전자의 운동과 다르게 양극(+)에서 음극(-)으로, 즉 양전하의 흐름으로 알려졌다. 이처럼 실제 전류가 흐르는 방향과 반대로 정의된 까닭은 전류의 흐름을 발견할 당시 과학자들이 전자의 존재를 몰랐기 때문이다.^[60] 정공, 양이온처럼 양전하가 이동하여 발생한 전류의 방향은 양전자의 이동 방향과 같다. 양전하가 이동할 때나 음전하가 이동할 때나 만들어진 전류에 현상적인 차이는 없으므로, 예부터 전류의 방향을 양전하의 흐름으로 통일하였다.^[61]

1830년대 마이클 패러데이는 아래 그림과 같이 전해전도 실험을 하였다.

	실험 결과
	실제 전자의 흐름(녹색)과 반대로 전류의 흐름(적색)은 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 정의된다.

패러데이는 이 실험을 통해 전해질의 전도로 축적된 은의 양을 측정하여 전류의 이동을 입증하였다. 현대 SI 단위를 정의하기 전까지 전류의 단위 1 암페어는 "1초 동안 0.001118 그램의 은을 축적한 전류의 세기"로 정의되었다. 또한, 패러데이는 새로운 은 원자를 제공하는 은막대를 양극(anode), 은 원자가 축적되는 강철 쪽을 음극(Cathode)으로 정의하고 전류가 양극에서 음극으로 흐른다고 보았다. 이 때문에 전류가 실제로는 전자의 흐름이라는 것이 밝혀진 오늘날에도 전류의 방향은 실제 전자의 운동과는 반대로 여전히 양극에서 음극으로 흐른다고 정의한다.^[60]

7. 전류의 측정

전류는 전류계를 사용하여 측정한다.^[18][19]

검류계를 사용하여 전류를 직접 측정할 수도 있지만, 이 방법은 전기 회로를 끊어야 하므로 불편할 때가 있다. 회로를 끊지 않고 전류와 관련된 자기장을 감지하여 측정하는 방법도 있다.

회로 수준에서 전류를 측정하는 다양한 기술은 다음과 같다.

• 션트 저항
• 홀 효과 전류 센서 트랜스듀서
• 변압기 (단, 직류는 측정할 수 없음)
• 자기 저항 필드 센서
• 로고우스키 코일
• 전류 클램프

8. 전도 메커니즘

금속 고체에서 전하는 전자를 통해 낮은 전위에서 높은 전위로 이동한다. 다른 매질에서는 하전 입자(예: 이온)의 흐름도 전류를 구성할 수 있다. 전하 운반체의 종류와 무관하게, ''일반적인 전류''는 양전하 흐름과 같은 방향으로 움직이는 것으로 정의된다. 따라서 전하 운반체(전자)가 음전하인 금속에서는 일반적인 전류는 전체 전자 이동과 반대 방향이다.^[26][33] 전하 운반체가 양전하인 도체에서는 일반적인 전류는 전하 운반체와 같은 방향이다.

진공에서는 이온 또는 전자의 빔이 형성될 수 있다. 다른 전도성 물질에서는 전류는 양전하와 음전하를 띤 입자가 동시에 흐르는 것으로 인해 발생한다. 다른 물질에서는 전류는 전적으로 양전하 흐름으로 인해 발생한다. 예를 들어, 전해질의 전류는 양전하와 음전하를 띤 이온의 흐름이다. 일반적인 납축전지 전기화학 전지는 양전하를 띤 히드로늄 이온이 한 방향으로 흐르고 음전하를 띤 황산 이온이 다른 방향으로 흐르는 것으로 구성된 전류를 가진다. 스파크 또는 플라스마의 전류는 전자뿐만 아니라 양이온과 음이온의 흐름이다. 얼음과 특정 고체 전해질에서는 전류는 전적으로 흐르는 이온으로 구성된다.

금속에서는 각 원자의 일부 바깥쪽 전자들이 분자성 고체에서처럼 개별 분자에 속박되어 있지 않거나, 절연체에서처럼 완전한 띠에 속박되어 있지 않고, 금속 격자 내에서 자유롭게 이동할 수 있다. 이러한 전도 전자는 전하 운반자 역할을 하여 전류를 운반한다. 금속은 이러한 자유 전자가 많기 때문에 특히 전도성이 높다. 외부 전기장이 가해지지 않으면, 이러한 전자들은 열에너지 때문에 무작위로 움직이지만, 평균적으로는 금속 내부에 순 전류가 0이다.

금속선이 DC 전압원(예: 전지)의 두 단자에 연결되면, 전압원은 도체에 전기장을 걸어준다. 접촉이 이루어지는 순간, 도체의 자유 전자는 이 전기장의 영향으로 양극 쪽으로 이동하도록 강제된다. 따라서 자유 전자는 일반적인 고체 도체에서 전하 운반자이다.

전기 회로에서 전류는 전자의 흐름이다.^[35] 납축전지와 같은 배터리, 전해 콘덴서, 네온관에서는 전류는 양과 음의 이온이 반대 방향으로 흐른다.^[35] 수소 연료 전지와 얼음에서는 전류는 양성자의 흐름이다.^[35] 반도체에서는 전류는 정공의 이동이다.^[35]

전해질 내 전류는 전하를 띤 입자(이온)의 흐름이다. 예를 들어, Na⁺와 Cl⁻의 용액에 전기장을 가하면 나트륨 이온은 음극으로 이동하고, 염화 이온은 양극으로 이동한다.

물 얼음과 양성자 전도체라 불리는 특정 고체 전해질은 이동성이 있는 양성자(수소 이온)를 포함하고 있다. 이러한 물질에서 전류는 금속 내에서 이동하는 전자와 달리 이동하는 양성자로 구성된다.

9. 전류의 속도

일반적으로 "전류의 속도"라는 말에는 다음 세 가지 의미가 있다.前野昌弘|마에노 마사히로^{일본어[45]}

• 표동전류: 전하 운반체(캐리어)의 평균 속도이다. 보통 전류는 \\(I=enS|\boldsymbol{v}_{\text{d}}|\\) 로 표현할 수 있다. 여기서 \\(n\\)은 캐리어 밀도이다.
• 캐리어의 운동 속도: 개별 캐리어(전자 등)의 속도이다.
• 전장 변화의 전파 속도: 전류, 즉 전기 신호가 전달되는 속도이다. 대략 광속과 같다.

10. 전기 회로

전기 전도는 거시계에서 전하의 흐름이며, 그 대표적인 대상이 전기 회로이다.

전류의 방향을 결정하는 전지의 전압은 열역학적인 전기화학 포텐셜과 같으며, 평형 상태에서 의미를 가지는 전자기학적인 전위차(정전 포텐셜의 차)와는 전자 밀도 기울기 등의 영향으로 일반적으로 다르다. 예를 들어, 평형 상태에 있는 반도체의 pn 접합에서는 전위차는 있지만 전기화학 포텐셜이 없으므로 전류는 흐르지 않고, 순방향 바이어스를 걸면 전기화학 포텐셜이 전위차와 반대 방향으로 발생하므로 전위차로 예상되는 방향과 반대 방향으로 전류가 흐른다. 엔트로피는 평형 상태에만 의미가 있으므로 전기화학 포텐셜도 그럴 것이지만, 어떤 위치를 고정한 상태에서 국소적인 전기화학 포텐셜이 전압과 선형 관계를 이루도록 전위차계를 설치하면 일정 시간이 지나면 일정한 측정값을 나타내므로, 이 사실을 바탕으로 비평형 정상 상태에도 자연스럽게 정의를 확장하고 있다. 이와 같이 회로는 선형 비평형 정상계의 열역학으로 간주될 수 있으며^[46], 실제로 제벡 효과, 펠티에 효과, 톰슨 효과와 같은 열류와 전류가 서로 영향을 미치는 열전 효과가 알려져 있다.

일반적으로 "저항에 전류를 흘리면 줄 열이 발생한다"라고 표현되지만, 실제로는 계에 전류를 흘려 일을 한 결과 계의 에너지가 상승한 것이며, 열의 이동은 없다. "줄 열이 발생한다"라고 표현되는 이유는, 전류를 흘린 후 멈추면 흘리기 전보다 에너지가 증가하여 온도가 상승한 평형 상태로 신속하게 이동하지만, 그 에너지의 증분을 외부계에 대한 일로서 꺼낼 때는 반드시 저항을 고온계(열원)로 하여 열기관을 구성할 수밖에 없고, 열역학 제2법칙에 따라 100%의 효율로 일을 사이클 과정에서 꺼내는 것은 불가능하기 때문이다. 즉, "저항에 전류를 흘려서 한 일이 열이라는 사용하기 어려운 에너지로밖에 꺼낼 수 없다"는 것을 의미한다.

이 회로에 흐르는 전류가 평형 상태 주변에서 구동력(전장, 즉 전압)의 멱급수로 쓸 수 있는 섭동 영역^[47]에서는 $$I=0+\backslash frac\{1\}\{R\}V+a\_2V^2+a\_3V^3+\backslash cdots$$가 되며, 1차 항의 계수의 역수 $R$을 전기 저항이라고 한다. 함수 $I(V)$의 그래프를 $I-V$ 특성(전류 전압 특성)이라고 하며, 그것이 원점을 지나는 직선이 되는 것(선형 응답으로 간주할 수 있는 것)을 옴의 법칙이 성립한다고 한다. 고전적으로는 드루드 모델에 의해 설명되었지만, 현대적으로는 쿠보 공식이나 란다우어 공식을 사용하여 미시적인 통계 모델에서 유도하는 것이 가능하다^[48][49]。전구의 필라멘트의 $I-V$ 특성은 위로 볼록한, 반도체의 $I-V$ 특성은 아래로 볼록한 곡선이 되는 경향이 있다.

11. 안전성

전류는 인체 근처에서 다룰 때 감전의 위험이 있다.

낙뢰나 전차 가선과의 접촉처럼 고전압이고 대전류^[50]일 경우 화상을 입을 수 있다. 또한 심장이나 뇌에 전류가 흐르면 화상 외에도 심정지와 같은 기능 부전을 일으킬 수 있다. 따라서 특히 주파수가 심박수나 뇌파에 가까운 조건의 교류 전원은 저전압이더라도 위험하다고 여겨진다.

감전으로 인해 인체에 미치는 손상의 정도는 접촉한 부위, 접촉 부위의 표면적과 젖은 상태, 전압/전류 및 주파수 등에 따라 달라진다. 100V 50/60Hz의 일본 국내 일반 가정용 전원은 건조한 상태에서 순간적으로 접촉하는 정도라면 접촉 부위에 저림을 느끼는 정도이지만, 변압기를 사용하는 경우나 물기가 있는 곳에서는 주의가 필요하다.

감전 외에도 전류에 의해 발생하는 열의 위험도 있다. 송전선이 과부하에 빠지면 고온이 되어 화재의 원인이 될 수 있다. 작은 단추 건전지와 금속제 동전을 주머니에 넣어 두었다가 그것들이 접촉하여 전류가 발생하여 그을리는 경우도 있다. 니켈-카드뮴 축전지, 니켈-수소 충전지, 리튬전지는 특히 내부 저항이 작기 때문에 취급에 주의해야 한다.

12. 송전 기술

현재 송전에는 교류가 널리 이용되고 있다. 역사적으로 토마스 에디슨이 직류 방식의 송전을 널리 보급하려고 했고, 니콜라 테슬라가 교류 방식의 송전을 널리 보급하려고 했다. 에디슨과 테슬라의 경쟁 (전류 전쟁)을 거쳐 교류에 의한 송전 시스템이 일반적으로 사용되게 되었다.

직류 방식이 쇠퇴한 이유 중 하나는 교류에서는 변압기를 이용한 전압 조작이 용이했기 때문이다. 송전 중에 발생하는 줄 열에 의한 에너지 손실은 전류의 제곱에 비례하기 때문에, 손실을 줄이려면 전류를 작게 해야 한다. 전류량을 작게 유지하면서 필요한 전력을 생산하려면 전압을 높여야 한다. 따라서 송전 시에는 전압을 높일수록 효율이 좋으며, 전기 기기를 이용하는 단계에서 적정 전압이 되는 것이 편리하다. 그러려면 변압기로 송전망이나 배전망에서 수요가에 가까워질수록 강압해야 할 필요가 있으며, 변압기의 이용을 위해서는 교류 방식을 사용하는 것이 더 적합했다.

송전 손실률 감소는 발전 전력량 감소를 통한 발전용 에너지 자원 절약에 기여한다. 일본의 송배전 손실률은 4.8%(2010년도)^[51]로 알려져 있다.

13. 한국의 전류 연구 및 활용

한국은 전류와 관련된 기초 과학 연구뿐만 아니라, 전력 시스템, 반도체, 전자 기기 등 다양한 분야에서 전류 기술을 활용하고 있다. 특히, 스마트 그리드, 전기 자동차, 배터리 기술 등 미래 에너지 기술 개발에 적극적으로 투자하고 있다.

한국의 반도체 산업은 전류를 제어하는 반도체 제조 기술을 바탕으로 발전해왔으며, 삼성전자, SK하이닉스 등 한국 기업들은 세계적인 반도체 제조 기술을 보유하여 한국 경제에 중요한 역할을 담당하고 있다.^[1]

13. 1. 한국의 전력 산업

13. 2. 한국의 반도체 산업

참조

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_[57] 서적 지도로 보는 세계 과학사 시그마북스
_[58] 서적 전기공학 성안당
_[59] 서적 전기회로계산법의 완성 기전연구사
_[60] 서적 기초회로이론 학문사
_[61] 서적 고등학교 물리 I 지학사
_[62] 문서 현대의 도금 공정 역시 똑같은 방법으로 진행된다.