전기장, 전위 및 전압은 전기 영역의 기본 개념으로, 우리가 전기 현상을 이해하고 상호 작용하는 방식을 형성합니다. 전등 스위치를 켜는 것부터 먼 거리에 걸쳐 전력을 전송하는 것까지 이러한 원리는 하전 입자의 동작과 전기 흐름을 지배합니다. 이 포스팅에서 우리는 전기장, 전위, 전압의 특성에 대해 자세히 살펴봅니다.
전기장
전기력은 중력과 유사하게 서로 접촉하지 않는 물체 사이에서도 작용합니다. 전기나 중력에서는 서로 떨어져 있는 전하 또는 질량에 작용하는 힘의 장이 존재합니다. 질량을 가진 물체는 그 주위 공간을 변화 시키고 이 공간에 들어오는 다른 질량을 가진 물체가 힘을 받도록 하는 특성이 있습니다. 이 “변화된 공간”을 중력장이라고 부릅니다. 우리는 이 공간에 들어오는 질량이 그 장을 만드는 질량과 직접 상호 작용하는 것이기 보다 형성된 중력장과 상호 작용한다고 생각합니다. 예를 들어 사과가 나무에서 떨어질 때, 사과가 지구의 질량과 작용하고 있다고 통상적으로 말하지만, 사과는 지구가 주변에 만든 중력장과 작용하고 있다고 생각할 수도 있습니다.
지상에서 멀리 있는 로켓의 경우에는 로켓이 지구보다는 지구가 만든 중력장과 작용하고 있다고 일반적으로 생각합니다. 장은 힘이 상호작용하는 두 물체의 중간 매체 역할을 합니다. 더 중요한 것은 장이 에너지를 저장한다는 것입니다. 이와 유사하게 모든 전하의 주변 공간은 전기장(electric field)이란 형태로 에너지가 저장되어 있습니다.
전기장 안에 대전된 입자를 놓으면 입자는 힘을 받습니다. 양전하에 가해지는 힘의 방향은 전기장과 같은 방향입니다. 양성자 주위의 전기장은 양성자로부터 바퀴 축 방향으로 뻗어 나갑니다. 전자는 이와 방향만 반대인 전기장을 만듭니다. 전기력과 마찬가지로, 한 개의 입자가 만드는 전기장은 거리의 제곱에 반비례하는 법칙을 따릅니다.
전위 (electric potential)
우리는 이전에 에너지에 대해 공부할 때 물체는 중력장 안에서 위치로 인한 중력 퍼텐셜 에너지를 갖는다는 사실을 배웠습니다. 이와 유사하게 대전된 입자는 전기장 안에 있는 덕분에 퍼텐셜 에너지를 갖습니다. 지구 중력장 안에서는 질량이 큰 물체를 중력장의 반대 방향으로 전하를 움직이려면 일이 필요합니다. 이 일은 전하의 전기 퍼텐셜에너지를 변화시킵니다. 대전된 전하를 대전된 구로 밀려면 일(work)이 필요합니다. 대전된 전하가 그의 위치로 인해 가지는 에너지를 전기 퍼텐셜에너지(electric potential energy)라고 부릅니다.
두 개의 전하를 가진 물체를 밀려면 두 배의 일이 필요합니다. 같은 위치에서 전하의 양이 두 배이면 전기 퍼텐셜 에너지는 두 배가 됩니다. 세 배의 전하는 세 배의 에너지를 갖습니다. 전기를 다룰 때 대전된 물체의 단위 전하당 전기 퍼텐셜에너지 개념을 사용하는 것이 편리합니다. 이 양은 총 에너지를 전기량으로 나누어 계산됩니다. 단위 전하가 갖는 전기 퍼텐셜에너지를 전기 퍼텐셜이라 부르며
전기퍼텐셜 = 전기 퍼텐셜에너지 / 전기량
으로 정의합니다. 전기 퍼텐셜의 단위는 볼트(Volt)이고, 따라서 전기 퍼텐셜은 때때로 전압(voltage)이라 부르기도 합니다. 1볼트의 퍼텐셜은 1쿨롱(C)당 1줄(J)의 에너지와 같습니다.
1볼트(V) = 1줄(J) / 1쿨롱(C)
따라서, 1.5볼트 배터리는 배터리를 통해 1쿨롱의 전하가 흐를 때마다 1.5줄의 에너지를 줍니다. 전기 퍼텐셜과 전압은 같은 뜻으로 흔히 혼용됩니다.
전압의 중요성은 각 점마다 전압을 명시할 수 있다는 점에 있습니다. 즉 전기장 안에서는 어느 점에서나 그 점에 전하가 있든 없든 전압이 지정됩니다. 전기 회로에서도 각 점에서 전압이 지정됩니다. 이들 전압 차이가 있는 두 점을 전기를 전도하는 매질로 연결하면 전하는 이 두 점 중 한 점에서 다른 점으로 모두 이동합니다.
풍선을 머리카락에 문지르면 풍선은 음전하로 대전됩니다. 그러나 1쿨롱의 전하는 매우 큰 양입니다. 머리카락에 문질러 대전되는 풍선의 전하는 대충 백만 분의 일 쿨롱 정도입니다. 따라서 풍선에 주어진 에너지는 매우 적은 양입니다. 높은 전압이라도 전하량이 많아야 많은 에너지를 갖습니다. 전기 퍼텐셜에너지는 전기 퍼텐셜 또는 전압과는 다른 개념입니다.
전압의 근원
열 전도체 양 끝에서의 온도가 서로 다르면 온도가 높은 곳에서부터 낮은 곳으로 열이 흐릅니다. 두 점들이 같은 온도에 도달하면 열의 흐름은 멈춥니다. 전기력이 가해질 때 쉽게 흐를 수 있는 자유로운 전하들을 가진 물질들을 전기 전도체 (electroc conductor)라고 부릅니다. 열 전도체와 전기 전도체 모두 물질 내에 이동이 자유로운 전하를 가지고 있다는 공통된 특징이 있습니다. 열 흐름에서와 유사하게 전기 전도체 양 끝에서의 퍼텐셜이 서로 다르면 – 양 끝에 퍼텐셜의 차이 (potential difference)가 있으면- 전도체 내에 있는 전하는 높은 퍼텐셜에서 낮은 퍼텐셜로 흐릅니다. 전하의 흐름은 양 끝이 같은 퍼텐셜에 도달할 때까지 계속됩니다. 퍼텐셜 차이가 없으면 전하의 흐름도 없습니다.
도체 내에서 전하의 흐름을 계속 유지하기 위해서는 전하가 한 끝에서 다른 끝으로 흐르는 동안 이들 양 끝의 퍼텐셜 차이를 계속 유지해 줄 그 무엇이 필요합니다. 이는 높은 곳에 있는 저수조에서 낮은 곳에 있는 저수조로 흐르는 물의 경우와 유사합니다. 두 저수조의 수면에 높이 차이가 유지될 때에만 이들을 잇는 관을 통해 물이 흐를 것입니다. 도선에서의 전하의 흐름과 유사하게 물도 두 저수조에서의 압력이 같아지면 흐름을 멈춥니다. 수면의 높이에 차이가 있을때에만 (즉 압력차가 있을 때) 물의 흐름은 계속될 수 있고 이는 적절한 펌프를 사용하여 가능합니다.
전하의 흐름(전류)을 지속시키려면 전기 퍼텐셜 차이 (전압)를 유지시킬 적당한 펌프가 필요합니다. 화학 전지 또는 발전기들이 이러한 “전기 펌프”들이며 이들로 전하의 지속적인 흐름을 유지할 수 있습니다. 이 기구들은 양전하에서 음전하를 격리시키는 일을 합니다. 화학 전지에서는 산성 물질 속에 있는 아연이나 납을 화학적으로 분해하는 방식으로 일을하며 이 과정에서 화학 결합에 저장되어 있던 에너지가 전기 퍼텐셜에너지로 바뀝니다.