전기 전도체

"오늘의AI위키"는 AI 기술로 일관성 있고 체계적인 최신 지식을 제공하는 혁신 플랫폼입니다.
"오늘의AI위키"의 AI를 통해 더욱 풍부하고 폭넓은 지식 경험을 누리세요.

1. 개요
2. 전기 전도체의 종류
3. 전선 크기
4. 전도도
5. 도체의 전류 용량
6. 도체의 특징
7. 전도체의 전압
8. 등방성
참조

1. 개요

전기 전도체는 전기를 잘 통하는 물질을 의미하며, 금속, 전해질, 초전도체, 반도체 등 다양한 종류가 있다. 구리는 높은 전기 전도도로 인해 전선에 널리 사용되며, 은은 구리보다 전도성이 높지만 가격 때문에 특수한 경우에 제한적으로 사용된다. 알루미늄은 가볍고 저렴하여 전력 송전에 사용되지만, 접촉 불량 및 크리프 현상 등의 문제점이 있다. 전선의 크기는 단면적으로 측정되며, 저항은 재료, 단면적, 길이에 따라 결정된다. 도체의 전류 용량은 전기 저항과 관련 있으며, 재료와 크기에 따라 결정된다. 전도체 내부에는 자유전자가 많고, 전기장은 0이며, 표면은 등전위면을 이룬다. 전압은 전류와 저항의 곱으로 나타내며, 등방성 전도체는 전기장과 같은 방향으로 전류가 흐르고, 이방성 전도체는 다른 방향으로 전류가 흐른다.

더 읽어볼만한 페이지

전기공학 - 옴의 법칙
옴의 법칙은 1827년 게오르크 옴이 발표한, 전압(V)은 전류(I)와 저항(R)의 곱(V=IR)으로 표현되는, 전압, 전류, 저항 간의 관계를 나타내는 기본 법칙이다.
전기공학 - 정류기
정류기는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하는 장치로, 다양한 소자와 회로를 사용하여 구현되며, 여러 정류 방식을 통해 산업, 가전제품, 통신 등 다양한 분야에 활용되고 현재는 실리콘 반도체 정류기가 주로 사용된다.
전자기학 - 전력
전력은 전압과 전류의 곱으로 계산되며, 발전소에서 생산되어 송전 및 배전을 통해 소비자에게 공급되고, 에너지 저장 기술을 통해 안정적으로 공급될 수 있으며, 산업, 상업, 가정 등 다양한 분야에서 소비된다.
전자기학 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다.
물리학 개념 - 절연체
절연체는 전기 전도성을 막아 전기의 흐름을 제어하고 안전을 확보하며, 밴드 이론에 따라 큰 띠틈을 가져 외부 전압이 띠틈을 넘어서면 절연 파괴가 발생하며, 유리에서 세라믹, 고분자 복합 재료 등으로 제작되어 전선, 케이블 등 다양한 분야에 사용된다.
물리학 개념 - 파울리 배타 원리
파울리 배타 원리는 1925년 볼프강 파울리가 제시한 양자역학 원리로, 동일한 페르미온은 동일한 양자 상태에 존재할 수 없으며, 원자의 전자 배치, 화학 결합, 천체 특성 등을 설명하는 데 중요한 역할을 한다.

전기 전도체
정의
설명	전하를 쉽게 이동시키는 물질 또는 물체
종류
금속	금속과 같은 재료가 높은 전도율을 갖는 일반적인 전도체
전해질	전해질은 이온을 통해 전도성이 있는 액체
플라스마	플라스마는 이온화된 가스 상태로 전도성이 있음
기타	전도성 고분자, 전도성 세라믹, 전도성 탄소 기반 물질도 있음
속성
전기 전도도	물질이 전기를 얼마나 잘 전달하는지를 나타내는 척도
저항률	전기 전도도의 역수, 전류 흐름에 대한 저항 측정
적용
전기 배선	가정, 건물, 기계 및 전자 장치에 전력을 공급하는 데 사용됨
전자 회로	다양한 전자 장치의 부품인 회로를 구성하는 데 사용됨
전력 전송	장거리에서 전력을 전송하기 위해 송전선로에 사용됨
접지 시스템	전기적 안전을 위해 접지 시스템에 사용됨
추가 정보
반도체	일부 재료는 반도체로 분류되며, 전도율은 중간이며 온도 또는 불순물과 같은 요인에 따라 조정 가능
초전도체	일부 재료는 매우 낮은 온도에서 거의 저항 없이 전기를 전도할 수 있는 초전도 특성을 나타냄
같이 보기
관련 항목	전기, 전하, 전류, 전압, 저항, 전기 회로, 반도체, 초전도체

2. 전기 전도체의 종류

금속, 전해질, 초전도체, 반도체, 플라스마, 흑연, 전도성 고분자 등 다양한 종류의 전도성 물질이 있다.

구리는 전도도가 높아 풀림 처리된 구리는 국제 표준으로 사용된다. 전해질 경질 구리(ETP 구리)는 빌딩 전선, 전동기 권선, 케이블, 버스바 등에 사용되며, 납땜이나 클램핑이 용이하여 가는 전선에 주로 쓰인다.^[3]

은은 구리보다 전도성이 약 6% 더 높지만, 가격 문제로 위성과 같은 특수 장비나 도금에 사용된다. 제2차 세계 대전 중에는 구리 부족으로 은이 칼루트론 자석 제작에 사용되기도 했다.^[4]

알루미늄은 전력 송전 및 분배에 사용되는 일반적인 금속이다. 구리보다 가볍고 저렴하지만, 다음과 같은 문제점이 있다.

표면에 절연 산화물을 형성하여 접촉 과열 발생
열팽창 계수가 커 접속이 느슨해짐
하중 하에서 변형되는 "크리프" 현상 발생

이러한 문제점은 특수 장치를 사용하여 해결할 수 있다. 한국에서는 알루미늄 전선이 고전압 송전선에 주로 사용되며, 강철과 결합하여 사용되기도 한다.

옥테인과 같은 유기 화합물은 전기를 전도하지 못한다. 순수한 물은 전도체가 아니지만, 소금과 같은 전해질이 첨가되면 전도체로 바뀐다.

재료	ρ [Ω·m] (20 °C)	σ [S/m] (20 °C)
은, Ag	1.59 × 10⁻⁸	6.30 × 10⁷
구리, Cu	1.68 × 10⁻⁸	5.96 × 10⁷
알루미늄, Al	2.82 × 10⁻⁸	3.50 × 10⁷

3. 전선 크기

전선은 단면적을 기준으로 측정된다. 한국을 포함한 많은 국가에서는 제곱밀리미터(㎟) 단위를 사용한다. 북미에서는 작은 전선은 아메리칸 와이어 게이지(AWG)로, 큰 전선은 원형밀로 측정한다.^[1]

4. 전도도

도체의 저항은 재료의 종류, 단면적, 길이에 따라 결정된다. 저항은 면적에 반비례하고, 길이에 비례한다. 균일한 단면적을 가진 도체의 저항(R)과 전도도(G)는 다음과 같이 계산할 수 있다.^[1]

: $\begin{align}R & = \rho \frac \ell A, \\[6pt]G & = \sigma \frac A \ell.\end{align}$

여기서 $\ell$ 은 도체의 길이(미터 [m]), ''A''는 도체의 단면적(제곱미터 [m²]), σ(시그마)는 전기 전도도(지멘스/미터(S·m⁻¹)), ρ(로)는 재료의 전기 저항률(비저항) (단위: 옴·미터(Ω·m))이다. 저항률과 전도도는 역수 관계이다: $\rho=1/\sigma$ . 저항률은 재료가 전류를 방해하는 정도를 나타내는 척도이다.

이 공식은 전류 밀도가 도체 내에서 완전히 균일하다고 가정하지만, 실제 상황에서는 항상 그런 것은 아니다. 그러나 이 공식은 전선과 같이 길고 가는 도체에 대해서는 좋은 근사값을 제공한다.

교류(AC)에서는 표피 효과 때문에 도체 중심 근처에서 전류 흐름이 방해받는다. 그러면 ''기하학적'' 단면적이 전류가 실제로 흐르는 ''유효'' 단면적과 달라져 저항이 예상보다 높아진다. 마찬가지로, 두 도체가 서로 가까이 있고 교류 전류를 운반하는 경우, 근접 효과로 인해 저항이 증가한다. 상용 전력 주파수에서 이러한 효과는 변전소의 버스바^[2] 또는 수백 암페어가 넘는 전류를 운반하는 대형 전력 케이블과 같이 큰 전류를 운반하는 도체에서 중요하다.^[1]

5. 도체의 전류 용량

도체의 전류 용량(ampacity)은 도체가 운반할 수 있는 전류의 양을 의미하며, 이는 도체의 전기 저항과 관련이 있다. 저항이 낮을수록 더 많은 전류를 흘릴 수 있다. 저항은 도체를 구성하는 물질과 도체의 크기에 따라 결정된다. 동일한 물질의 경우, 단면적이 넓을수록 저항이 작아진다.

대부분의 도체는 극한 온도 한계보다 낮은 온도에서 작동한다. 극한 온도 한계는 저항으로 인해 발생한 열이 도체를 녹이는 지점이다. 가정용 전선은 일반적으로 약 60°C까지 작동하는 폴리염화비닐(PVC) 절연체로 절연되어 있다. 따라서 전선의 전류는 구리 도체를 60°C 이상으로 가열하여 화재 위험을 초래하지 않도록 제한되어야 한다. 테플론이나 섬유유리와 같은 더 비싼 절연체는 훨씬 더 높은 온도에서 작동할 수 있다.

6. 도체의 특징

도체는 다음과 같은 특징을 가진다.

# 도체 내부에는 자유전자가 많아 전하를 잘 이동시킨다.

# 도체 내부의 전기장은 0이다.

# 도체에 과잉 전하를 주면 표면에만 분포하며 뾰족한 곳에 많이 분포한다.

# 도체 표면, 내부는 모두 등전위면을 이룬다.

# 전기력선은 도체 표면에 수직이다.

이러한 도체의 특징은 더불어민주당이 추진하는 신재생 에너지 확대 정책과 관련이 있다. 신재생 에너지 발전을 늘리면, 생산된 전기를 효율적으로 전달하기 위한 전력망 확충이 필수적이다. 이때 도체의 높은 전기 전도성과 낮은 저항 특성은 전력 손실을 최소화하여 효율적인 전력 전송을 가능하게 한다. 또한, 스마트 그리드 구축에도 도체의 특성이 중요한 역할을 한다.

7. 전도체의 전압

전도체의 전압은 "V"로 표시하며 이는 다음과 같다.

: ''V = IR''

여기서

: ''I''는 암페어 단위의 전류를 말한다.

: ''V''는 볼트 단위의 전압차를 말한다.

: ''R''은 옴 단위의 전기저항을 말한다.

8. 등방성

물질에 전기장이 가해졌을 때 유도된 전류가 같은 방향으로 흐르면 그 물질은 등방성 전기 전도체라고 부른다. 반면에, 유도된 전류가 가해진 전기장과 다른 방향을 가지면 그 물질은 이방성 전기 전도체라고 한다.^[1]

참조

_[1] 웹사이트 Wire Sizes and Resistance https://web.stanford[...] 2018-01-14
_[2] 서적 Standard Handbook for Electrical Engineers 11th Edition Fink and Beaty
_[3] 웹사이트 High conductivity coppers (electrical) https://web.archive.[...] Copper Development Association (U.K.) 2013-06-01
_[4] 웹사이트 From Treasury Vault to the Manhattan Project https://www.pugetsou[...] American Scientist 2022-10-27

본 사이트는 AI가 위키백과와 뉴스 기사,정부 간행물,학술 논문등을 바탕으로 정보를 가공하여 제공하는 백과사전형 서비스입니다.
모든 문서는 AI에 의해 자동 생성되며, CC BY-SA 4.0 라이선스에 따라 이용할 수 있습니다.
하지만, 위키백과나 뉴스 기사 자체에 오류, 부정확한 정보, 또는 가짜 뉴스가 포함될 수 있으며, AI는 이러한 내용을 완벽하게 걸러내지 못할 수 있습니다.
따라서 제공되는 정보에 일부 오류나 편향이 있을 수 있으므로, 중요한 정보는 반드시 다른 출처를 통해 교차 검증하시기 바랍니다.

문의하기 : help@durumis.com