1.전하와 정전기
모든 물질은 원자로 이루어져 있고, 원자 안에는 (+)전하를 띤 양성자와 (−)전하를 띤 전자가 있습니다. 평소에는 두 전하의 양이 같아 전기적으로 중성입니다. 같은 종류의 전하끼리는 밀어내고 다른 종류끼리는 끌어당깁니다.
겨울에 스웨터를 벗을 때 따닥 소리가 나는 것은 마찰로 전자가 한쪽 물체에서 다른 쪽으로 옮겨 가 두 물체가 서로 다른 전하를 띠기 때문입니다. 이렇게 한곳에 머물러 있는 전기를 정전기라고 합니다. 건조한 날 더 잘 생기는 것은 공기 중 수분이 적어 전하가 잘 빠져나가지 않기 때문입니다.
2.전류, 전압, 저항
전하가 도선을 따라 이동하는 것이 전류입니다. 단위는 A(암페어)이며, 1초 동안 도선의 한 단면을 지나는 전하의 양으로 나타냅니다. 관례상 전류의 방향은 (+)극에서 (−)극으로 정했는데, 실제로 금속 도선에서 움직이는 전자는 그 반대 방향으로 이동합니다. 전자가 발견되기 전에 방향을 정했기 때문입니다.
전압은 전류를 흐르게 하는 능력으로, 단위는 V(볼트)입니다. 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도이며 단위는 Ω(옴)입니다. 같은 물질이라면 도선이 길수록, 가늘수록 저항이 큽니다.
흔히 물의 흐름에 빗대어 설명합니다. 전압은 물탱크의 높이 차, 전류는 흐르는 물의 양, 저항은 파이프의 좁기와 같습니다. 이해를 돕는 비유일 뿐, 전기가 실제로 물처럼 흐르는 것은 아닙니다.
- I = V ÷ R
- I = 1.5 V ÷ 3 Ω = 0.5 A
- 검산: V = I × R = 0.5 × 3 = 1.5 V
- P = V × I 이므로 I = P ÷ V = 2200 ÷ 220 = 10 A
- R = V ÷ I = 220 ÷ 10 = 22 Ω
- 검산: P = V × I = 220 × 10 = 2200 W
3.직렬연결과 병렬연결
저항을 한 줄로 이어 붙이는 것을 직렬연결이라고 합니다. 모든 저항에 같은 전류가 흐르고, 전체 저항은 각 저항의 합입니다. 한 곳이 끊어지면 회로 전체에 전류가 흐르지 않습니다.
저항을 나란히 갈래로 연결하는 것을 병렬연결이라고 합니다. 각 갈래에 같은 전압이 걸리고, 전체 전류는 각 갈래 전류의 합입니다. 갈래가 늘어날수록 전체 저항은 오히려 작아집니다. 집 안의 콘센트와 전등은 병렬로 연결되어 있어서, 하나를 끄거나 고장 나도 나머지가 계속 작동하고 모두 같은 220 V를 받습니다.
| 직렬연결 | 병렬연결 | |
|---|---|---|
| 전류 | 어디서나 같다 | 갈래별 전류의 합이 전체 전류 |
| 전압 | 각 저항에 나뉘어 걸린다 | 모든 갈래에 같은 전압 |
| 전체 저항 | 연결할수록 커진다 | 연결할수록 작아진다 |
| 하나가 끊어지면 | 전체가 꺼진다 | 나머지는 작동한다 |
| 예 | 일부 장식용 전구 줄 | 가정의 콘센트·전등 배선 |
- 전체 저항 = 2 + 3 = 5 Ω
- 전류 = 10 V ÷ 5 Ω = 2 A
- 각 저항의 전압: 2 Ω에는 2 × 2 = 4 V, 3 Ω에는 2 × 3 = 6 V. 합이 10 V로 맞습니다.
- 각 갈래 전류: 6 V ÷ 6 Ω = 1 A, 6 V ÷ 3 Ω = 2 A
- 전체 전류 = 1 + 2 = 3 A
- 전체 저항 = 6 V ÷ 3 A = 2 Ω
- 검산: 1/R = 1/6 + 1/3 = 1/6 + 2/6 = 3/6 = 1/2 이므로 R = 2 Ω
4.전력량 — 전기 요금은 kWh로 매긴다
전력(W)은 1초 동안 쓰는 전기 에너지의 빠르기이고, 실제로 쓴 에너지의 양은 전력에 사용 시간을 곱한 전력량입니다. 전기 요금은 이 전력량을 kWh(킬로와트시) 단위로 세어 매깁니다. 1 kWh는 1,000 W짜리 기기를 1시간 쓴 양입니다.
그래서 전력이 큰 기기라도 잠깐 쓰면 전력량은 작고, 전력이 작은 기기라도 오래 켜 두면 전력량이 커집니다. 전기 주전자(2,200 W)로 물을 3분 끓이는 것보다 소비 전력이 작은 전기 히터를 하루 몇 시간씩 켜는 쪽이 전력량이 훨씬 많을 수 있습니다. 요금을 어림하려면 사용한 kWh에 고지서에 적힌 kWh당 요금을 곱합니다. 단가는 지역과 사용량 구간에 따라 다릅니다.
에너지 관점에서 보면 전구는 전기 에너지를 빛과 열로 바꿉니다. 같은 밝기를 내는 데 백열전구보다 LED 전구의 소비 전력이 훨씬 작은 것은, 백열전구가 에너지의 대부분을 빛이 아닌 열로 내보내기 때문입니다.
- 백열전구: 60 W × 5 h × 30일 = 9,000 Wh = 9 kWh
- LED 전구: 9 W × 5 h × 30일 = 1,350 Wh = 1.35 kWh
- 차이: 9 − 1.35 = 7.65 kWh
- 검산: 전력 차이 51 W × 5 h × 30일 = 7,650 Wh = 7.65 kWh로 같습니다.
5.전류가 만드는 자기장 — 전자석
도선에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생깁니다. 나침반 옆에서 도선에 전류를 흘리면 바늘이 움직이는 것으로 확인할 수 있습니다. 도선을 코일 모양으로 여러 번 감고 그 안에 철심을 넣으면 자기장이 훨씬 강해지는데, 이것이 전자석입니다.
전자석은 전류를 켜고 끄는 것만으로 자석이 되었다가 안 되었다가 하고, 전류의 세기로 자기력의 크기를 조절할 수 있습니다. 고철을 들어 올리는 크레인, 스피커, 초인종 등에 쓰입니다. 전동기(모터)는 자기장 속에 놓인 코일에 전류를 흘려 힘을 받게 하여 회전시키는 장치로, 선풍기와 세탁기, 휴대폰 진동에도 들어 있습니다.
6.자기장이 만드는 전류 — 발전기
반대로 코일 근처에서 자석을 움직이거나 코일을 자기장 속에서 돌리면, 코일을 지나는 자기장이 변하면서 전류가 흐릅니다. 이것을 전자기 유도라고 합니다. 자석을 빨리 움직일수록, 코일을 많이 감을수록 더 큰 전류가 생깁니다.
발전소의 발전기는 이 원리로 작동합니다. 화력·원자력 발전소는 증기로, 수력 발전소는 떨어지는 물로, 풍력 발전기는 바람으로 터빈을 돌리고, 터빈에 연결된 발전기에서 전기가 만들어집니다. 에너지 관점에서 보면 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치입니다. 모터는 전기 → 운동, 발전기는 운동 → 전기로 방향만 반대입니다.
휴대폰 무선 충전과 인덕션 레인지도 전자기 유도를 씁니다. 코일에 빠르게 바뀌는 전류를 흘려 변하는 자기장을 만들고, 그 자기장이 휴대폰 속 코일에 전류를 만들거나 냄비 바닥에 전류를 흘려 열을 냅니다.
📌 핵심 정리
- 같은 전하는 밀어내고 다른 전하는 끌어당긴다 — 정전기는 전자의 이동 때문이다
- 전압(V)은 미는 능력, 전류(A)는 흐름의 양, 저항(Ω)은 방해 정도이고 V = IR이다
- 직렬은 전류가 같고 저항이 더해지며, 병렬은 전압이 같고 갈래가 늘수록 전체 저항이 작아진다
- 가정 배선은 병렬이라 각 기기가 같은 전압을 받고 따로 켜고 끌 수 있다
- 전류는 자기장을 만들고(전자석·모터), 변하는 자기장은 전류를 만든다(발전기)
- 전력량(kWh) = 전력 × 시간이며, 전기 요금은 이 전력량으로 매긴다
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복사해서 [ ] 부분을 내 상황으로 바꿔 쓰세요. 답을 그대로 믿지 말고 본문과 비교해 확인하세요.
전기 회로를 물의 흐름 비유로 이해하고 한계도 알고 싶을 때
전압·전류·저항을 물의 흐름에 빗대어 설명해 줘. 그다음 이 비유가 실제 전기와 다른 점을 적어도 세 가지 짚어 줘(예: 전자의 실제 이동 속도, 회로가 닫혀야 하는 이유). 마지막에 옴의 법칙 계산 문제 3개를 내 주고 내가 답하면 채점해 줘.
집에서 전자석을 만들어 보고 싶을 때
건전지, 에나멜선, 쇠못으로 전자석을 만드는 집 실험을 단계별로 알려 줘. 감은 횟수에 따라 클립이 몇 개 붙는지 비교하는 방법, 기록표, 그리고 안전 주의사항(건전지 단락 시 발열, 가정용 콘센트는 절대 쓰지 않기 등)을 꼭 넣어 줘.
- 중·고등학교 과학 교과서의 일반적 내용(전기와 자기)
- 국제단위계(SI) — 암페어(A), 볼트(V), 옴(Ω)
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