전류

초등학교때 건전지에 꼬마 전구를 연결하여 불을 켜는 것을 배울 때 부터 전류란 용어를 들었기 때문에 익숙하긴 할 텐데 그래도 앞으로 어려운 이야기들을 할 때 참조할 부분으로서 전류에 대해서 이야기를 써 두려고 합니다.

전류(電流, electric current)

한자나 영어를 보면 그 뜻이 나와있습니다. 일상생활 속에서 전기가 흐른다고 표현하는 것입니다. 좀 더 정확한 용어로는 전기보다 전하라는 용어가 더 적합할 것입니다. 전하는 양전하, 음전하 두 종류가 있고, 그 어느 것이 흐르든지 전류라고 합니다. 건전지에 꼬마 전구를 연결하는 것과 같은 전기회로에서 널리 쓰이는 개념입니다. 꼬마 전구를 연결할 때 쓰는 선을 전기가 흐르는 선이라는 의미의 도선이란 이름을 씁니다. 도선에서 전류가 얼마나 어디로 흘렀는가 하는 것을 이미 배웠을 겁니다.

전류의 크기

전류가 많이 흘렀는가 적게 흘렀는가를 말하는게 전류의 크기가 될 것입니다. 전류의 크기는 일정한 시간에 흘러가는 전하량을 말합니다. 시간 동안에 전하량 가 흘러 가면 전류의 크기 라고 할 수 있습니다. 속력를 배울 때, 평균 속력, 순간 속력이 다르듯 전류의 크기를 이렇게 표현하면 평균적인 값 밖에 표현할 수 없으므로 좀 더 엄밀하게는 라고 표현하는 것이 정확하겠습니다.

이 표현만으로는 어디를 흘러갔는지를 정확히 표현하고 있지는 않은데, 보통은 도선에서 사용하는 개념이므로 도선의 단면 전체를 지나가는 양이라고 생각하면 될 것입니다. 아래와 같이 도선의 굵기 다르더라도, 단면의 방향이 다르더라도 (모양이 좀 삐뚤거리더라도) 정해둔 기준 면을 지나간 전하의 양를 측정한 시간으로 나누어 주면 전류량이 됩니다.

전하는 두 종류가 있으므로 양전하가 지나갈 때와 음전하가 지나갈 때 전류를 어떻게 생각해야 되는가가 문제가 될 수 있습니다.

전류의 정의에서 전하량은 양전하를 기준으로 생각합니다. 위의 그림과 같이 양전하 +1C 짜리 2개가 점선을 지나가고 음전하가 -1C 짜리가 1개 점선을 지나갔다면 총 지나간 전하량은 +1C 으로 계산하겠다는 것입니다. 만약에 양전하와 음전하가 동일한 전하량 만큼 지나갔다면 전류는 0 이 됩니다. ( 이미 우리가 알고 있듯이 원자, 분자의 양전하는 원자핵, 음전하는 전자입니다. 그리고, 그 전하의 양이 같습니다. 호스에서 물을 뿌리는 경우 물 분자의 양전하와 음전하의 양이 같으므로, 호스에 흐르는 전류의 양은 0 입니다.)

전하량의 단위는 쿨롱 [C] , 시간의 단위는 초 [s] 를 표준적 단위로 삼으니까, 전류의 단위는 [C/s] 이 됩니다. 이 단위를 [A] 로도 대신 쓰고, 암페어(ampere)라고 합니다. (과학자 이름입니다.)

전하량 보존법칙

전기회로 도선에서는 도선의 처음과 끝에서 들어가고 나간 전류량은 같습니다.

전하가 중간에 생겨나거나 사라지지 않기 때문에 한 지점을 들어간 전하가 중간에 어디에 쌓이지 않았다면 결국은 다른 지점으로 나온다는 말입니다. ( 축전기와 같이 어디 쌓이는 경우라면 들어간 전하와 나오는 전하가 다를 수 있겠다고 생각하겠지만, 여기서도 축전기의 원리상 결국 들어온 전류와 나오는 전류가 같게 됩니다.)

도선이 중간에 둘로 나누어지는 아래 그림과 같은 경우에도

의 관계를 유지한다는 뜻이기도 합니다.

전류의 방향

전류의 크기의 기준이 되는 지점은 도선의 어느 단면이니, 전류의 방향은 단면의 왼쪽인가 오른쪽인가하는 두가지 방향 밖에는 없습니다. 그리고, 크기를 양전하를 기준으로 삼았으니 전류의 방향도 양전하를 기준으로 말합니다. 위의 그림에서 화살표와 같은 방향을 기준으로 단위시간당 흘러간 전하량이 전류의 양이 되는데, ( + )값이라면 화살표 방향으로 지나간 양전하량보다 음전하량이 더 크다는 뜻이고, ( – ) 값이라면 화살표 방향으로 지나간 음전하량이 양전하량보다 더 크다는 뜻이됩니다. 전류의 크기를 양수만 쓰고 싶다면 전류의 방향을 나타내는 화살표 방향을 반대로 그리면 됩니다.

전하를 하나만 생각할 때는 쉬운데, 양전하와 음전하가 두 종류가 한꺼번에 있을 때의 전류의 양과 전류의 크기를 따지는게 헷갈릴때가 있습니다. 저만 그런게 아니라 많은 사람들이 처음 볼 때 착각하는 경우를 아주 자주 보았습니다. 그래서, 아래 그림과 같이 그려 보았습니다. ( 중간의 그림은 어떤 이유에서인지는 모르지만 한 종류의 전하는 움직이지 않는다는 경우입니다. 오른쪽 그림이 사람들이 많이 헷갈려하는 경우입니다.)

전류의 크기와 방향은 전류의 기준면을 어떻게 생각하는지, 어느 방향을 기준으로 말하는지를 잘 정의하고 시작해야합니다.

전류는 벡터량이 아니다.

벡터는 방향과 크기를 가진 양이라고 배웠기 때문에 전류도 벡터량이라고 착각할까 싶어서 남겨둡니다. 전류는 벡터량이 아닙니다. 고등학교, 일반 물리시간에 배운 벡터량의 정의가 완벽하지 않아서 그렇습니다. 벡터량이라고 하면 우리가 알고 있는 벡터의 연산법칙이 만족해야합니다만 전류는 그런 연산법칙을 만족하는 량이 아닙니다.

아래 그림과 같이 도선의 방향을 바꾸어도 의 관계는 똑같이 유지됩니다. 아래 화살표는 그냥 화살표이지, 벡터를 표시하느 화살표가 아닙니다. 화살표가 길고 짧은 것은 아무런 의미가 없습니다. 그냥 어느 방향을 (+) 로 할 것인가를 알려주는 표시입니다. 전류량은 스칼라 양입니다.

다음에 배울 전류 밀도 는 벡터량으로 정의합니다.

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