전기

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1. 개요

전기는 전자와 양성자 등의 소립자 고유의 성질에서 유래하는 현상으로, 전하, 전류, 전기장, 전위, 전자기, 전기화학, 전기 회로, 전력, 전자공학, 전자기파 등 다양한 개념을 포함한다. 고대부터 전기물고기를 통해 전기 현상을 인지했으며, 18세기 벤저민 프랭클린의 연구를 통해 번개가 전기적 현상임을 밝혀냈다. 19세기에는 루이지 갈바니의 생물전기 발견, 알레산드로 볼타의 전지 개발, 마이클 패러데이의 전동기 발명 등을 통해 전기 과학이 급속도로 발전했으며, 19세기 말에는 니콜라 테슬라, 토머스 에디슨, 조지 웨스팅하우스를 통해 전기공학의 진보가 이루어졌다. 한국은 1887년 경복궁에 최초로 전등이 설치되었으며, 일제강점기 수력발전소 건설을 거쳐, 1970년대 이후 경제 발전과 함께 전력 수요가 급증했다. 전기는 발전, 송전 및 배전, 전기 저장, 전기 이용 등 다양한 방식으로 활용되며, 생리적 효과, 자연 현상, 문화적 인식 등 여러 측면에서 중요한 의미를 지닌다.

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전기장은 공간의 각 지점에서 단위 전하가 받는 힘으로 정의되는 벡터장으로, 전하 또는 시간에 따라 변하는 자기장에 의해 발생하며, 전기력선으로 표현되고 맥스웰 방정식으로 기술되는 전자기장의 한 요소이다.
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전압은 두 지점 사이의 전위차로서 단위 전하당 에너지 차이를 나타내며, 정전기학에서는 단위 전하를 이동시키는 데 필요한 일, 회로 이론에서는 노드 간 전위차로 정의되고, 직류 및 교류 전압으로 구분되며, 다양한 방식으로 발생하여 여러 분야에 응용된다.
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전기
전자기학
핵심 개념	전하
관련 현상	정전기 전류 전자기 전자기 유도 전자기파
응용 분야	전력 전자공학 통신 컴퓨터 의료 기술
정의
개요	전하는 입자가 가지는 고유한 물리량으로, 전자기적 상호작용을 일으키는 원천이다. 전기는 전하의 흐름이나 정지 상태와 관련된 현상을 총칭한다.
전하	종류: 양전하, 음전하 단위: 쿨롱 (C) 전하량 보존 법칙: 고립계 내에서 전하의 총량은 항상 일정하게 유지된다.
전기력	전하 사이에 작용하는 힘, 쿨롱 법칙으로 설명된다.
정전기
정의	정지해 있는 전하에 의해 발생하는 전기 현상
관련 현상	정전기 유도 전기장 전위 콘덴서
전류
정의	전하의 흐름
단위	암페어 (A)
종류	직류 (DC) 교류 (AC)
관련 현상	전기 저항 옴의 법칙 전압 전력
전자기학
정의	전기와 자기의 상호작용을 다루는 물리학 분야
관련 법칙	앙페르 법칙 패러데이 전자기 유도 법칙 맥스웰 방정식
관련 현상	전자기 유도 전자기파
전자기파
정의	전기장과 자기장이 서로 진동하며 전파되는 파동
종류	라디오파 마이크로파 적외선 가시광선 자외선 X선 감마선
특징	진공 속에서 빛의 속도로 전파된다. 에너지와 운동량을 운반한다.
응용 분야
전력	전기 에너지를 생산, 수송, 소비하는 기술
전자공학	반도체 소자 전자 회로 디지털 논리
통신	전자기파를 이용한 정보 전달 기술
컴퓨터	전기 신호를 이용한 정보 처리 장치
의료 기술	X선 촬영 MRI 심전도
역사
초기 연구	고대 그리스에서 정전기 현상 관찰, 17~18세기 전기 현상 연구 본격화
중요한 발견	쿨롱 법칙 옴의 법칙 패러데이 전자기 유도 법칙 맥스웰 방정식
현대 기술	양자전기역학, 초전도체 연구

2. 역사

전기에 관한 지식이 존재하기 오래 전부터 사람들은 전기물고기의 전기충격 능력을 인지하고 있었다. 기원전 2750년의 고대 이집트 문헌에는 이 물고기들을 "나일강의 뇌신"이라 부르며 다른 모든 물고기의 "수호자"라고 했다.^[179] 이후 1천년기가 지난 뒤 고대 그리스, 로마, 이슬람 박물학자들과 의사들도 전기물고기의 존재를 기록했다.^[180] 대 플리니우스나 스크리보니우스 라르구스 같은 고대 사람들은 전기메기 및 전기가오리의 전기충격 효과 및 그 충격이 충격을 전달(오늘날 용어로 전도)할 수 있는 물체를 따라 이동한다는 것을 알았다.^[181] 통풍이나 두통이 있는 환자들에게 정신이 번쩍 들어 치료가 되라고 전기물고기를 만지게 하는 처방도 이루어졌다.^[182]

지중해 주변의 고대 문화에서는 특정한 물체. 예컨대 호박을 고양이 털로 문지르면 깃털 같은 가벼운 물체를 끌어당긴다는 것을 알고 있었다. 밀레투스의 탈레스는 기원전 600년경 정전기에 관한 다양한 관찰을 남겼다. 그는 마찰이 호박을 자성을 띠게 하며, 이는 자철석과 같은 문지르지 않아도 자성을 가지는 광물과 대조되는 성질이라고 생각했다.^[183]^[184]

|섬네일|left|upright|벤저민 프랭클린은 18세기에 전기에 관한 광범한 연구를 수행했다.]]

1600년 잉글랜드의 과학자 윌리엄 길버트가 전기와 자기에 대한 세심한 연구를 수행하여 자철석 효과와 정전기 효과는 서로 다른 것임을 구분해냈다.^[183] 이후 오토 폰 게르니케, 로버트 보일, 스티븐 그레이, 샤를 프랑수아 드 시스테르네 등이 전기에 관한 연구를 계속했다.

18세기 벤저민 프랭클린은 사재를 팔아가면서 전기에 관한 광범위한 연구를 수행했다. 프랭클린은 1752년 6월 물에 적신 연줄 끝에 금속 열쇠를 매달고 천둥치는 날 연을 띄웠다고 흔히 알려져 있다. 열쇠를 통해 그의 손등으로 전달된 스파크는 번개가 전기적 현상임을 확실히 알게 하였다.^[189] 또한 프랭클린은 음전하와 양전하라는 개념을 내놓아 전하 저장 장치인 라이덴병의 역설적인 것처럼 보이는 성질이 사실 역설이 아님을 설명해냈다.^[190]

|섬네일|upright|마이클 패러데이의 발견은 전동기 기술의 토대를 이루었다.]]

1791년 루이지 갈바니가 생물전기의 발견을 발표했다. 이는 전기가 뉴런을 통해 근육에 신호를 전달하는 수단임을 의미하는 것이다.^[191] 1800년 알레산드로 볼타는 아연판과 구리판을 겹쳐 만든 볼타 전지를 개발하여 과학자들이 그전까지 사용되던 정전기 기계보다 안정적으로 전기를 사용할 수 있게 하였다.^[191] 1819년-1820년에는 한스 크리스티안 외르스테드와 앙드레마리 앙페르가 전기 현상과 자기 현상이 사실 같은 것이라는 전자기 개념의 단초를 발견했다. 1821년 마이클 패러데이는 전동기를 발명했고, 1827년에는 게오르크 옴이 전기회로를 수학적으로 분석해냈다.^[191]

19세기 초가 전기과학의 급속한 발전 시대였다면, 19세기 말은 전기공학의 엄청난 진보가 이루어진 시기이다. 니콜라 테슬라, 토머스 에디슨, 조지 웨스팅하우스가 모두 이 시대 사람들이다. 그들은 전기를 과학적 호기심의 대상으로부터 근대적 생활에 필수불가결한 도구로 전환시켰고, 이는 제2차 산업혁명을 견인하는 동력이 되었다.^[193]

1905년 알베르트 아인슈타인은 이것이 이산적인 양자의 형태로 전달되는 빛의 에너지가 전자에 에너지를 전달하는 광전효과로 인한 것임을 밝혔다.

2. 1. 한국의 전기 역사

1887년 경복궁에 한국 최초로 전등이 설치되었다. 일제강점기에는 일본에 의해 수력발전소 건설 등 전력 개발이 이루어졌으나, 이는 식민지 수탈을 위한 목적이 컸다.

해방 이후 대한민국 정부는 전력 자립을 위해 노력했으며, 특히 1970년대 이후 경제 발전과 함께 전력 수요가 급증했다. 1978년 고리 원자력발전소 1호기 준공으로 원자력 발전이 시작되었다.

1990년대 이후 민주화와 함께 환경 문제에 대한 관심이 높아지면서, 신재생에너지 기반의 전기 생산이 확대되고 있다.

3. 기본 개념

전자와 양성자 등의 소립자 고유의 성질에서 유래한다. 고대부터 마찰시킨 琥珀(こはく)에 물체가 끌어당겨지는 등의 전기 현상이 알려져 있었고, 물질에는 이러한 성질을 가진 것과 가지지 않은 것이 있다는 것이 알려져 있었다.

근대에 들어 물리학이 발전하면서 이러한 현상(전기)은 정량화할 수 있고, 또 보존된다는 것이 밝혀졌다. 전기 현상을 연구하는 물리학 분야는 전자기학이라고 불린다. 전기가 다량으로 존재할 것으로 생각되는 경우나 반대로 소량밖에 없는 경우 등, 조건에 따라 물체가 끌어당겨지는 등의 전기 현상에 그 정도의 차이가 관찰되거나, 번개의 불꽃 크기의 정도에 따라 전기에도 수량과 마찬가지로 그 양이 있다고 하여, 전기의 양의 많고 적음을 나타내는 양으로서 전기의 양, 즉 "전하량"이라는 것이 고려되고 있다. 이에 대해 "전하"는 "전하량"의 많고 적음을 특별히 묻지 않고 전기가 존재하기만 하면 충분할 때 "전하"가 있다고 표현하며, "전하량"과는 시각이 약간 다르며, 전하량이라고 말하지 않는 경우가 많다.

전기에는 '+'와 '-'의 두 종류가 있다. '+'와 '+' 또는 '-'와 '-'로 대전된 물체끼리는 서로 반발하고, '+'와 '-'로 대전된 물체끼리는 서로 끌어당긴다. 그 인력 또는 척력의 세기는 쿨롱의 법칙에 의해 계산할 수 있다. 또, 이것에 의해 "전하량"의 단위를 결정할 수도 있다.

전기 에너지는 다른 여러 가지 에너지로 변환될 수 있고, 또 반대로 다른 에너지에서 전기 에너지로도 변환될 수 있다.

→ 운동 에너지 : 전동기
← 운동 에너지 : 발전기, 풍력 발전, 수력 발전
→ 화학 에너지 : 전기 분해, 전기 제련
← 화학 에너지 : 전지
→ 열에너지 : 전열기, 전자레인지
← 열에너지 : 화력 발전, 원자력 발전, 태양열 발전, 해양 온도차 발전
→ 자기 에너지 : 전자석, 전자 브레이크
← 자기 에너지 : MHD 발전
→ 광 에너지 : 조명, 발광 다이오드, 전기 발광
← 광 에너지 : 태양광 발전
← 핵에너지 : 원자력 전지

3. 1. 전하

전하(電荷, electric charge)는 전기 현상을 일으키는 주체적인 원인으로, 어떤 물질이 갖고 있는 전기의 양이다. 공간에 있는 가상의 점이 갖는 전하를 점전하라고 하고, 전하의 양을 전하량이라고 한다. 전하는 물질뿐만 아니라 반물질에도 존재하며, 각 반입자는 해당 입자와 크기가 같고 부호가 반대인 전하를 가진다.^[33]^[114]

전하의 존재는 정전기력을 발생시킨다. 전하는 서로에게 힘을 작용하는데, 이 효과는 고대부터 알려져 있었지만, 그 원리는 이해되지 않았다.^[34]^[106] 전하는 두 가지 반대 형태로 나타나는데, 같은 종류의 전하를 가진 물체는 서로 밀어내고, 다른 종류의 전하를 가진 물체는 서로 끌어당긴다.^[34] 이러한 현상은 18세기 후반에 샤를 오귀스탱 드 쿨롱에 의해 연구되었으며,쿨롱의 법칙을 통해 공식화 되였다.^[106]

전하는 전자와 양성자 등의 소립자 고유의 성질에서 유래한다. 벤저민 프랭클린은 유리 막대를 실크 천으로 문지를 때 얻는 전하를 양전하로 정의했고,^[32]^[112] 현대적인 관습에 따라, 전자의 전하는 음전하로, 양성자의 전하는 양전하로 정의된다.^[31] 양성자는 기본 전하로 정의되는 정확히 의 전하를 갖는다. 전자는 같은 크기의 음전하, 즉 을 갖는다.

전하는 보존량이며, 즉 전기적으로 절연된 계 내의 순 전하는 그 계 내에서 일어나는 어떤 변화에도 불구하고 항상 일정하게 유지된다.^[40]^[104] 전하는 여러 가지 방법으로 측정할 수 있으며, 초기의 기구로는 금박 검전기가 있는데, 이것은 여전히 교실 시범에 사용되지만 전자 전위계에 의해 대체되었다.^[36]^[105]

3. 2. 전류

전류는 전하의 흐름으로, 단위는 암페어(A)를 사용한다.^[41] 역사적으로 전류의 방향은 양전하의 흐름, 즉 전원의 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 정의되었다.^[42] 그러나 실제 전기 회로에서 전류를 주로 운반하는 것은 음전하를 띤 전자이므로, 전자의 이동 방향은 전류의 방향과 반대이다.^[115] 이러한 관례는 다양한 상황에서 전류의 흐름 방향을 단순화하기 위해 널리 사용된다.

전류가 물질을 통과하는 현상을 전기 전도라고 하며, 이는 대전 입자와 물질의 성질에 따라 달라진다. 금속에서는 전자가, 전기 분해에서는 이온이 전류를 운반한다.^[116] 입자 자체는 매우 느리게 움직일 수 있지만, 이들이 형성하는 전기장은 광속에 가깝게 전파되어 전기 신호가 빠르게 전달된다.^[117]

전류는 여러 가지 현상을 일으킨다. 1800년 니콜슨과 카라일은 전류로 물을 분해하는 전기 분해를 발견했고,^[118] 1833년 마이클 패러데이는 전기 분해 법칙을 발표했다. 1840년 제임스 프레스콧 줄은 저항을 통과하는 전류에 의한 발열을 연구하여 줄의 법칙을 정립했다.^[118] 1820년 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 전선 주위의 나침반 바늘이 움직이는 것을 발견하여 전자기학의 기초를 마련했다.^[119]

전류는 직류(DC)와 교류(AC)로 구분된다. 직류는 전지에서처럼 한 방향으로 흐르는 전류이고,^[120] 교류는 주기적으로 방향이 바뀌는 전류이다.^[121] 교류는 사인파 형태가 일반적이며, 인덕턴스와 정전 용량의 영향을 받는다.^[122]

3. 3. 전기장

전기를 띤 물체 주위에는 전기 작용이 존재하는 공간인 전기장(전계(電界), 전장(電場))이 형성된다. 전기장의 개념은 마이클 패러데이에 의해 도입되었으며, 이 장은 다른 전하에 힘을 작용한다. 전기장은 두 전하 사이에서 작용하는 방식이 두 질량 사이에서 작용하는 중력장과 유사하며, 무한히 뻗어나가고 거리에 대한 역제곱 관계를 보인다.^[38] 그러나 중력은 항상 인력으로 작용하는 반면, 전기장은 인력 또는 척력을 초래할 수 있다는 중요한 차이점이 있다. 행성과 같은 큰 천체는 일반적으로 순 전하를 띠지 않으므로, 거리에서 전기장은 일반적으로 0이다. 따라서 중력은 훨씬 약하지만 우주에서 거리에 대한 지배적인 힘이다.^[39]

전기장은 일반적으로 공간에서 변화하며, 어떤 한 점에서의 세기는 그 점에 정지해 있는 무시할 만한 전하가 느낄 힘(단위 전하당)으로 정의된다.^[34] '시험 전하'라고 하는 개념적인 전하는 자신의 전기장이 주요 전기장을 방해하지 않도록 매우 작아야 하며, 자기장의 영향을 방지하기 위해 정지해 있어야 한다. 전기장은 힘으로 정의되고 힘은 벡터이며, 크기와 방향을 모두 가지므로, 전기장은 벡터장이다.^[34]

정지 전하에 의해 생성된 전기장에 대한 연구는 정전기학이라고 한다. 이 장은 어떤 점에서나 방향이 장의 방향과 같은 허상의 선들의 집합으로 시각화할 수 있다. 이 개념은 패러데이에 의해 도입되었으며,^[47] 그의 용어인 '힘의 선'은 여전히 사용되고 있다. 장선은 점 전하가 장 내에서 움직이도록 강제될 때 만들려고 하는 경로이다. 그러나 이것은 물리적 실체가 없는 허상의 개념이며, 장은 선 사이의 모든 중간 공간에 퍼져 있다.^[47] 정지 전하에서 나오는 장선은 몇 가지 주요 특성을 가지고 있다. 첫째, 양전하에서 시작하여 음전하에서 끝난다. 둘째, 모든 양도체에 직각으로 들어가야 한다. 셋째, 서로 교차하거나 스스로 닫히지 않는다.^[34]

속이 빈 도체는 모든 전하를 외부 표면에 띤다. 따라서 도체 내부의 모든 지점에서 전기장은 0이다.^[36] 이것이 패러데이 케이지의 작동 원리이며, 이는 외부 전기적 영향으로부터 내부를 차단하는 도전성 금속 껍질이다.

정전기학의 원리는 고전압 장비를 설계할 때 중요하다. 어떤 매질이라도 견딜 수 있는 전기장 세기에 대한 유한한 한계가 있다. 이 한계를 넘어서면 절연 파괴가 발생하고 전기 아크가 대전된 부분 사이에서 플래시오버를 일으킨다. 예를 들어 공기는 전기장 세기가 센티미터당 30 kV를 초과할 때 작은 간격을 가로질러 아크를 발생시키는 경향이 있다. 더 큰 간격에서는 파괴 강도가 약해져 센티미터당 1 kV 정도가 된다.^[48] 이 현상의 가장 눈에 띄는 자연 현상은 번개이며, 이는 공기 기둥이 상승하면서 구름 속에서 전하가 분리되고 공기의 전기장을 견딜 수 있는 것보다 더 높게 올릴 때 발생한다. 큰 번개 구름의 전압은 100 MV에 달하고 방전 에너지는 250 kWh에 달할 수 있다.^[48]

전기장 세기는 근처의 도체에 크게 영향을 받으며, 뾰족한 물체 주위를 급격하게 휘어질 때 특히 강해진다. 이 원리는 피뢰침에서 활용되는데, 피뢰침의 날카로운 침은 번개가 건물을 보호하는 곳이 아니라 피뢰침에 떨어지도록 유도하는 역할을 한다.^[49]

3. 4. 전위

전위는 전기적인 위치 에너지로, 볼트(V) 단위를 사용한다.^[130] 전위차(전압)는 두 지점 간의 전위 차이를 의미하며, 일상생활에서 더 자주 사용되는 용어다.^[130]

AA 건전지. "+" 기호는 건전지 전극 간의 전위차에 의한 극성을 나타내고 있다.

전기장 내에 전하를 놓으면 힘을 받으며, 이 힘에 거슬러 전하를 이동시키는 데는 일이 필요하다.^[130] 특정 지점의 전위는 단위 시험 전하를 무한대에서 그 지점까지 천천히 옮기는 데 필요한 에너지로 정의된다.^[130] 1볼트는 1쿨롱의 전하를 옮기는 데 1줄의 일이 필요한 전위이다.^[130] 전기장은 보존적인 특성을 가지므로, 전하의 이동 경로는 중요하지 않으며 두 지점 사이의 전위차는 유일하게 결정된다.^[130]

실용적인 목적을 위해 전위를 비교할 수 있는 공통 기준점을 정의하는 것이 유용한데, 접지가 그 기준점으로 사용된다.^[131] 지구는 양전하와 음전하의 무한한 공급원으로 간주되어 전기적으로 중성이며 충전될 수 없다고 가정한다.^[131]

전위는 스칼라량으로 크기만 있고 방향은 없다.^[132] 이는 높이와 유사하게 생각할 수 있는데, 중력장에서 높이 차이에 의해 물체가 떨어지는 것처럼, 전하는 전기장에서 전압에 의해 '떨어진다'.^[132] 등고선처럼 같은 전위를 갖는 지점을 연결한 선을 등전위선이라고 하며, 등전위선은 전기력선과 직각으로 교차하고 전도체 표면과 평행하다.^[133]

전기장은 단위 전하당 가해지는 힘으로 정의되지만, 전위 개념을 사용하면 전기장을 전위의 국소적인 기울기로 정의할 수 있다.^[133] 전기장의 단위는 일반적으로 볼트 매 미터로 표현된다.^[133]

3. 5. 전자기

전류는 자기장을 생성하며, 변화하는 자기장은 전기장을 생성한다. 이 현상은 전자기 유도라고 불리며, 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따르면 폐회로에 유도되는 전위차는 회로를 통과하는 자속의 변화율에 비례한다.^[54] 1821년 한스 크리스티안 외르스테드는 전류가 흐르는 도선 주변에 자기장이 존재한다는 것을 발견하여 전기와 자기의 관련성을 제시했다.^[119] 이후 앙드레마리 앙페르는 평행한 두 도선에 전류가 흐를 때, 같은 방향이면 서로 끌어당기고 반대 방향이면 밀어내는 현상을 발견했다.^[135] 이러한 상호작용은 각 전류가 생성하는 자기장 때문이며, 암페어 단위의 정의에 사용된다.^[135]

도선이 독자를 향해 전류를 운반합니다. 독자의 시각에서 볼 때, 자기장을 나타내는 동심원이 도선 주위를 시계 반대 방향으로 원을 그립니다. — 전류 주위의 자기장 원

소형 전동기의 단면도 — 전동기는 전자기의 중요한 효과를 이용합니다. 자기장을 통과하는 전류는 자기장과 전류 모두에 대해 직각으로 힘을 받습니다.

마이클 패러데이는 1821년 전동기를 발명하고,^[54] 1831년에는 전자기 유도 현상을 발견하여 최초의 발전기를 발명했다.^[54] 전동기는 자기장 속에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘을 이용하고, 발전기는 전자기 유도를 통해 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환한다.

3. 6. 전기화학

전기화학은 물질간의 전자의 이동과 그것들에 의한 여러 현상을 취급하는 화학의 한 분야이다. 물리화학, 분석화학, 화학공학 등과의 연관이 깊다. 전지와 전기분해 등이 전기화학 현상을 이용한 예이다.

3. 7. 전기 회로

전기 회로는 전기가 흐를 수 있도록 전원과 함께 설치된 닫힌 회로다. 회로에는 저항기, 축전기, 코일 등 다양한 전기적 소자가 전기 전도체인 전선에 의해 연결된다.^[56] 전자 회로는 반도체인 능동 소자를 포함하며, 일반적으로 비선형 동작을 나타내어 복잡한 분석이 필요하다.^[150]

저항은 가장 간단한 수동 회로 요소이다. 이름에서 알 수 있듯이, 전류의 흐름을 저항하여 에너지를 열로 소산시킨다. 옴의 법칙은 회로 이론의 기본 법칙으로, 저항을 통과하는 전류는 그 양단의 전위차에 정비례한다는 것을 나타낸다. 대부분의 재료의 저항은 다양한 온도와 전류 범위에서 비교적 일정하다. 저항의 단위인 옴은 게오르크 옴의 이름을 따서 명명되었으며, 그리스 문자 Ω로 표시된다. 1 Ω는 1암페어의 전류에 대해 1볼트의 전위차를 생성하는 저항이다.^[57]^[150]

축전기는 전하를 저장하고, 그에 따라 생성된 전기장에 전기에너지를 저장하는 장치이다. 두 개의 도전성 판이 얇은 절연체 유전체 층으로 분리되어 구성된다. 실제로는 얇은 금속박을 함께 감아 단위 부피당 표면적을 늘리고 따라서 정전용량을 증가시킨다. 정전용량의 단위는 마이클 패러데이의 이름을 딴 패럿이며, 기호 ''F''로 표시된다. 1패럿은 1쿨롬의 전하를 저장할 때 1볼트의 전위차를 발생시키는 정전용량이다. 전압 공급 장치에 연결된 축전기는 처음에는 전하가 축적됨에 따라 전류를 발생시킨다. 그러나 이 전류는 시간이 지남에 따라 축전기가 충전됨에 따라 감소하여 결국 0이 된다. 따라서 축전기는 정상 상태 전류를 허용하지 않고 차단한다.^[57]^[150]

인덕터는 일반적으로 전선 코일인 도체로, 전류에 따라 자기장에 에너지를 저장한다. 전류가 변하면 자기장도 변하고, 도체의 양단에 전압이 유도된다. 유도된 전압은 전류의 시간 변화율에 비례한다. 비례 상수를 인덕턴스라고 한다. 인덕턴스의 단위는 조지프 헨리의 이름을 딴 헨리이다. 1헨리는 전류가 초당 1암페어의 비율로 변할 때 1볼트의 전위차를 유도하는 인덕턴스이다. 인덕터의 동작은 어떤 면에서 축전기의 동작과 반대이다. 인덕터는 일정한 전류는 자유롭게 허용하지만, 급격하게 변하는 전류는 반대한다.^[57]^[150]

3. 8. 전력

전력(electric power)은 전기 회로를 통해 전기 에너지가 전달되는 속도이다. 국제단위계의 일률 단위는 와트이며, 1초당 1줄이다.^[58]

전력은 기계적 일률과 마찬가지로, 와트(watt) 단위로 측정되고 ''P''로 표시되는 일의 속도이다. ''t''초마다 ''Q'' 쿨롬의 전하로 구성된 전류 ''I''가 ''V'' 볼트의 전위차(전압)를 통과할 때 발생하는 와트 단위의 전력은 다음과 같다.

:''P'' = 단위 시간당 수행된 일 = (QV)/t = IV

여기서

:''Q''는 쿨롬 단위의 전하량

:''t''는 초 단위의 시간

:''I''는 암페어 단위의 전류

:''V''는 볼트 단위의 전위 또는 전압

전력은 일반적으로 전력 산업에 의해 기업과 가정에 공급된다. 전기는 일반적으로 킬로와트시(3.6 MJ) 단위로 판매되는데, 이는 킬로와트 단위의 전력에 가동 시간(시간)을 곱한 값이다. 전력 회사는 고객에게 전달된 전기 에너지의 누적량을 기록하는 전력량계를 사용하여 전력을 측정한다.^[58] 화석 연료와 달리 전기는 엔트로피가 낮은 에너지 형태이며, 높은 효율로 운동 에너지나 다른 많은 형태의 에너지로 변환될 수 있다.^[58]

직류에서의 전력 공식은 P=VI이며, 교류에선 전력이 세가지로 피상전력,무효전력,유효전력이 있다.

3. 9. 전자공학

전자공학은 전자의 운동에 대한 과학적 지식을 연구하여 전력을 이용하는 구성 장치, 시스템 또는 여러 장비들을 개발하는 공학의 한 분야이다.^[59] 전자는 전기 회로를 통해 진공관, 트랜지스터, 다이오드, 센서, 집적 회로와 같은 능동 전기 소자와 관련된 수동적 상호 연결 기술을 포함한다.^[59] 능동 소자의 비선형 동작과 전자 흐름을 제어하는 능력은 디지털 스위치를 가능하게 하며, 전자공학은 정보 처리, 통신, 신호 처리에 널리 사용된다.^[59]

오늘날 대부분의 전자 장치는 전자 제어를 수행하기 위해 반도체 구성 요소를 사용한다. 회로 기판, 전자 패키징 기술 및 기타 다양한 형태의 통신 인프라와 같은 상호 연결 기술은 회로 기능을 완성하고 혼합된 구성 요소를 정상적으로 작동하는 시스템으로 변환한다.

3. 10. 전자기파

전자기파는 변화하는 전기장과 자기장이 서로를 유도하며 공간을 전파하는 현상이다.^[34] 가시광선, 전파, 적외선, 자외선, X선 등은 모두 전자기파의 예시이다.^[34]

고전 역학에서 전자기 복사는 진동하는 전기장과 자기장으로 구성되며, 이들은 진공에서 빛의 속력으로 전달된다. 두 장의 진동은 서로 수직이며 진행 방향에도 수직인 횡파이다. 전자기파는 진동수에 따라 라디오파, 마이크로파, 적외선, 가시광선, 자외선, X선, 감마선 등으로 분류된다.

패러데이와 앙페르의 연구는 시간에 따라 변하는 자기장이 전기장을 생성하고, 시간에 따라 변하는 전기장이 자기장을 생성한다는 것을 보여주었다.^[34] 1864년 제임스 클러크 맥스웰은 이러한 현상을 수학적으로 기술한 맥스웰 방정식을 발표하여, 빛이 전자기 복사의 한 형태임을 증명하였다.^[34] 맥스웰 방정식은 빛, 장, 전하를 통합하는 이론 물리학의 중요한 이정표이다.^[34]

이후 많은 연구자들의 노력으로 전자 장치를 사용하여 신호를 고주파로 진동하는 전류로 변환하고, 무선파를 통해 먼 거리까지 송수신하는 기술이 개발되었다.^[62]

4. 전기 생산과 이용

4. 1. 발전

발전은 다른 형태의 에너지를 전기 에너지로 변환하는 과정이다.^[151] 전력은 주로 수증기로 구동되는 발전기로 발전되며, 수증기를 발생시키기 위한 열원으로는 화석연료의 연소나 핵분열 반응에서 발생하는 열이 사용된다.^[152] 또는 수류나 바람이 가진 운동 에너지를 이용하여 발전기를 구동하는 경우도 있다. 1884년에 찰스 알제논 파슨스가 발명한 증기터빈은 현재 전 세계 전력의 80%를 생산하는 데 사용된다.^[152]

체코 두코바니 원자력발전소. 냉각탑에서 폐열을 위한 수증기가 나오고 있다.

19세기 말 변압기의 발명으로 고전압 저전류로 더 효율적으로 전력을 송전할 수 있게 되었다.^[153] 송전이 효율화됨으로써 하나의 큰 발전소에서 발전하여 넓은 지역에 전력을 공급할 수 있게 되어 규모의 경제 효과가 발휘되게 된다.^[153]

국가가 근대화되고 경제가 발전함에 따라 전력 수요는 급격히 증가한다.^[154] 미국에서는 20세기 처음 30년 동안 매년 12%의 전력 수요가 증가했고,^[154] 최근에는 발전이 두드러진 인도와 중국이 비슷한 증가 추세를 보이고 있다.^[155]^[69]

환경 문제, 특히 화석 연료 연소가 기후 변화에 미치는 영향에 대한 우려로 인해, 풍력과 태양광과 같은 재생 가능한 자원으로부터의 발전에 대한 관심이 증가하고 있다.^[70]

4. 2. 송전 및 배전

19세기 후반 변압기의 발명으로 전력을 더 높은 전압, 더 낮은 전류로 효율적으로 송전할 수 있게 되었다.^[71]^[72] 효율적인 송전은 전력을 규모의 경제 효과를 누릴 수 있는 중앙집중식 발전소에서 생산한 다음 필요한 곳으로 상대적으로 장거리로 보낼 수 있음을 의미했다.^[71]^[72]

일반적으로 전기의 수요는 공급과 일치해야 한다. 전기 저장이 어렵기 때문이다.^[71] 전력망을 불가피한 장애 및 손실로부터 보호하기 위해 항상 일정량의 발전량을 예비력으로 유지해야 한다.^[73] 전력망에서 신재생에너지(풍력 및 태양열 에너지)의 비중이 증가함에 따라 수요와 공급을 일치시키는 것이 더욱 어려워졌고, 이러한 간극을 해소하는 데 저장 기술이 점점 더 중요한 역할을 하고 있다.^[74] 저장 기술에는 전기화학적 저장인 배터리, 수소와 같은 화학적 저장, 펌핑 수력발전과 같은 열 또는 기계적 저장 기술이 있다.^[74]

국가 규모의 전력 수요를 감당할 만큼 전기 에너지를 저장하는 것은 쉽지 않기 때문에, 전력망에는 항상 필요한 만큼의 전기 에너지를 계속 공급해야 한다.^[153] 그러기 위해서는 항상 전력 수요를 주의 깊게 예측하고, 발전소 간에 항상 연계할 필요가 있다. 어느 정도의 발전 능력은 급격한 전력 수요 증가나 어떤 장애에 대한 대책으로 확보해 두어야 한다.

4. 3. 전기 저장

일반적으로 전기의 수요는 공급과 일치해야 하는데, 전기 저장이 어렵기 때문이다.^[71] 전력망을 불가피한 장애 및 손실로부터 보호하기 위해 항상 일정량의 발전량을 예비력으로 유지해야 한다.^[73] 전력망에서 신재생에너지(풍력 및 태양열 에너지)의 비중이 증가함에 따라 수요와 공급을 일치시키는 것이 더욱 어려워졌으며, 이러한 간극을 해소하는 데 저장 기술이 점점 더 중요한 역할을 하고 있다.^[74] 기술 성숙도가 다양한 네 가지 유형의 에너지 저장 기술에는 전기화학적 저장인 배터리, 수소와 같은 화학적 저장, 펌핑 수력발전과 같은 열 또는 기계적 저장 기술이 있다.^[74] 더불어민주당은 이러한 에너지 저장 기술 개발 및 보급을 적극적으로 지원하고 있다.

4. 4. 전기 이용

전기는 에너지를 전달하는 매우 편리한 수단이며, 점점 더 많은 용도로 활용되고 있다.^[75] 1870년대 실용적인 백열전구의 발명으로 조명이 대중적으로 이용 가능한 최초의 전력 응용 분야 중 하나가 되었다.^[159] 전기화는 위험성도 가져왔지만, 가스등의 노출된 불꽃을 대체함으로써 가정과 공장의 화재 위험을 크게 줄였다.^[76] 많은 도시에서 급증하는 전기 조명 시장을 겨냥하여 공공 시설이 설립되었으며, 20세기 후반과 현대에는 전력 부문 규제 완화의 추세가 시작되었다.^[77]

필라멘트 전구에 사용되는 저항성 줄 열 효과는 전기 난방에서도 더 직접적으로 사용된다. 이것은 다용도이고 제어가 가능하지만, 대부분의 발전이 이미 발전소에서 열 생산을 필요로 하기 때문에 낭비적인 것으로 간주될 수 있다.^[78] 덴마크와 같은 여러 국가에서는 신축 건물에서 저항성 전기 난방의 사용을 제한하거나 금지하는 법률을 제정했다.^[79] 그러나 전기는 여전히 난방과 냉동에 매우 실용적인 에너지원이며,^[80] 에어컨/히트펌프는 난방 및 냉방에 대한 전력 수요가 증가하는 분야를 나타내며, 전력 회사는 이러한 영향을 점점 더 수용해야 한다.^[81]^[82]

전자기의 효과는 동력을 얻는 깨끗하고 효율적인 수단인 전동기에 가장 눈에 띄게 사용된다. 윈치와 같은 고정식 모터는 전력 공급이 용이하지만, 전기 자동차와 같이 응용 분야와 함께 이동하는 모터는 배터리와 같은 전원을 휴대하거나 팬터그래프와 같은 슬라이딩 접촉부에서 전류를 수집해야 한다. 전기로 작동하는 차량은 전기 버스 및 기차와 같은 대중교통에 사용되며,^[85] 개인 소유의 배터리 구동 전기 자동차도 증가하고 있다.

전기는 통신에 사용되며, 실제로 1837년 쿡과 휘트스톤이 상업적으로 시연한 전신^[86]이 최초의 응용 분야 중 하나였다. 1860년대 최초의 대륙 횡단 전신 및 대서양 횡단 전신 케이블 시스템의 건설과 함께 전기는 전 세계적으로 몇 분 만에 통신을 가능하게 했다. 광섬유와 위성 통신이 통신 시스템 시장의 일부를 차지하고 있지만, 전기는 프로세스의 필수적인 부분으로 남을 것으로 예상된다.

전자 장치는 20세기의 가장 중요한 발명품 중 하나이며,^[87] 모든 현대 회로의 기본 구성 요소인 트랜지스터를 사용한다. 현대의 집적 회로는 몇 센티미터 정사각형 영역에 수십억 개의 소형화된 트랜지스터를 포함할 수 있다.^[88]

5. 전기와 자연 세계

5. 1. 생리적 효과

인체에 전압이 가해지면 조직을 통해 전류가 흐르며, 비선형적 관계이지만 전압이 클수록 전류가 커진다.^[89]^[165] 감지 임계값은 주파수와 전류 경로에 따라 다르지만, 상용 주파수 전기의 경우 약 0.1 mA ~ 1 mA이며, 특정 조건에서는 마이크로암페어 수준의 전류도 전기 진동 효과로 감지될 수 있다.^[90]^[166] 전류가 충분히 높으면 근육 수축, 심장 섬유화, 화상을 유발한다.^[89]^[165] 도체가 통전되고 있다는 것을 눈으로 확인할 수 없는 것이 전기의 특별한 위험성이다. 감전으로 인한 통증은 매우 심할 수 있으며, 전기가 고문 수단으로 사용되는 경우도 있다.^[91]^[167] 감전으로 인한 사망—감전사—은 일부 미국 주에서 여전히 사형에 사용되고 있지만, 20세기 말에는 매우 드물어졌다.^[92] 반대로 인공적인 전기 에너지를 이용하여 생체 전기 현상의 회복을 촉진하는 치료 방법으로 제세동이 있다.

5. 2. 자연 현상

전기는 인간이 발명한 것이 아니며, 자연에서 여러 형태로 관찰할 수 있다. 대표적인 예가 번개이다. 지구 자기장은 지구 핵 내 순환 전류의 자연 다이나모로 인한 것이다.^[93]^[168]

수정이나 설탕과 같은 특정 결정은 압력을 받으면 표면에 전위차를 생성하는데, 이를 압전 효과라고 한다.^[94]^[169] 1880년 피에르 퀴리와 자크 퀴리가 발견한 이 현상은 압전체가 전기장에 노출되면 크기가 약간 변하는 상호작용을 보인다.^[94]^[169]

상어와 같은 일부 생물은 전기장의 변화를 감지하고 반응하는 전기 수용 능력을 지니고 있다.^[95]^[170] 반면, 전기뱀장어를 포함한 다양한 종류의 전기 물고기들은 포식 또는 방어 무기로 사용하기 위해 스스로 전압을 생성한다.^[3]^[171] 모든 동물은 활동전위라는 전압 펄스를 통해 세포막을 따라 정보를 전달하며, 이는 신경계 의사소통 및 근육 수축, 특정 식물의 활동 조정 등에 관여한다.^[96]^[173]

6. 문화적 인식

19세기와 20세기 초, 산업화된 서구에서조차 전기는 많은 사람들의 일상생활의 일부가 아니었다. 당시 대중문화는 전기를 살아있는 것을 죽이거나, 죽은 자를 되살리거나, 자연 법칙을 왜곡할 수 있는 신비롭고 마법 같은 힘으로 묘사하는 경우가 많았다.^[102] 이러한 태도는 1771년 루이지 갈바니의 실험으로부터 시작되었는데, 죽은 개구리 다리에 동물 전기를 가하면 경련을 일으킨다는 것을 보여주었다. 갈바니의 연구 직후 의학 문헌에는 겉으로 보기에 죽거나 익사한 사람의 "소생" 또는 부활이 보고되었다. 메리 셸리가 『프랑켄슈타인』(1819)을 저술할 때 이러한 결과를 알고 있었지만, 괴물을 소생시킨 방법의 이름을 명시하지는 않았다. 전기로 괴물을 소생시키는 것은 나중에 공포 영화의 단골 소재가 되었다. 메이지 시대 일본에서는 1912년 도쿄 시내 가정의 전등 보급이 거의 완료되었지만, 동시에 최첨단의 대명사가 되어 전기 브랜디 등 전기와는 무관한 상품명에도 사용되었다.

제2차 산업혁명의 생명선으로서 전기에 대한 대중의 친숙함이 커짐에 따라, 전기를 다루는 사람들은 더 자주 긍정적인 시각으로 비춰졌다.^[102] 예를 들어, 러디어드 키플링의 1907년 시 「마르타의 아들들」(Sons of Martha)에서 "장갑 끝으로 죽음을 잡고 살아있는 전선을 이어 붙이는" 노동자들처럼.^[102] 모든 종류의 전기 자동차는 쥘 베른의 모험 소설이나 「탐 스위프트」(Tom Swift) 시리즈와 같은 책에 자주 등장했다.^[102] 토머스 에디슨, 찰스 프로터스 스테인메츠, 니콜라 테슬라와 같은 과학자를 포함하여 허구적이든 실제적이든 전기의 대가들은 마법사와 같은 능력을 지닌 것으로 여겨졌다.^[102]

20세기 후반에 전기가 신기함을 넘어 일상생활의 필수품이 되면서, 전기가 흐르지 ''않을 때''만 대중문화의 특별한 주목을 받게 되었다.^[102] 이는 대개 재앙을 알리는 사건이다.^[102] 지미 웹의 노래 "위치타 라인맨"(Wichita Lineman, 1968)의 이름 없는 영웅과 같이 전기를 ''계속해서'' 흐르게 하는 사람들은 여전히 종종 영웅적이고 마법사 같은 인물로 묘사된다.^[102] 1950년대에는 전기가 특이한 것에서 일상생활에 필수적인 것으로 변모하여, 어떤 재해가 발생했음을 보여주는 경우가 많은 "정전"이 일어날 때만 주목을 받게 되었다.^[177] 정전이 발생하지 않도록 전력망을 유지하는 작업자들은 글렌 캠벨의 히트곡 "위치타 라인맨" (1968)에서 무명의 영웅으로 노래되고 있다.^[177]

7. 같이 보기

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