전자의 기본개념

 

1.물질의 전기적 성질

 

 

-물질에 전기적인 특유의 성질-

 

모든 물질은 궁극적으로 원자로 구성되어 있고 그 원자는 핵(icnucleus)과 핵 주위를 회전하는 전자(electron)로 이루어져 있다. 일반적으로 물질은 금속류와 같이 핵의 최외각에 있는 전자들이

 

중심부에 위치한 핵과의 결합력이 매우 약해서 쉽게 핵으로부터 이탈되어 원자와 원자 사이를 자유롭게 이동할 수 있는 전자의 수가 많은 물질, 즉 전류(current)가 잘 흐를 수 있는 도체

 

(cunductor)와 유리에보나이트와 같이 핵의 최외각에 있는 전자들이 중심부에 위치한 핵과의 결합력이 매우 강해서 좀처럼 핵으로부터 이탈되지 않아 원자와 원자 사이를 자유롭게 이동할 수 있

 

는 전자의 수가 적은 물질, 즉 전류가 흐르기 어려운 부도체가 있다.

 

그리고 게르마늄(Ge), 실리콘(Si)등과 같이 도체와 부도체의 중간정도의 전기적 성질을 갖는 반도체(Semi-Conductor)등으로 크게 구분할 수 있다.

 

(Point!! 도체- 금, 은, 구리, 백금, 알루미늄

 

반도체-실리콘, 규소, 게르마늄

 

부도체-고무, 나무, 유리, 석면, 에보나이트)

 

 

 

2. 전하와 전류

 

-유체이론-

 

전류가 흘러가는 방향은 오직 2가지 경우밖에 없다

 

플러스(+)에서 마이너스(-)방향으로 이동하거나 또는 마이너스(-)에서 플러스(+)로 이동하는 것 그것이 전부이다.

 

프랭크린은 전기의'유체이론'(fluid theory)'을 제안함으로써 눈에 보이지 않던 전기의 흐름을 유체로 형상화시켰다.

 

어느 임의의 물체에 정상적인 유체의 몫보다 더 많은 양의 유체가 있다면 그 물체는 양(+)전하를 가졌다고 하며, 물체가 정상적인 유체의 몫보다 적은 양의 유체가 있다면 음(-)전하를 가졌다고

 

한다. 이러한 유체이론을 기초로 하여 프랭크린은 전기유체를 플러스(넘치는 곳)에서 마이너스(부족한 곳)로 흘러간다고 결론내었다

 

18세기와 19세기에 행해졌던 모든 실험의 결과가 유체이론과 일치되었기 때문에 과학자나 엔지니어들은 전하의 흐름이 플러스에서 마이너스로 흐른다는 개념을 받아들이게 되었고 오늘날 수많

 

은 공학도서에서도 아직도 이러한 관습적인 흐름을 사용하고 있으며 새로운 소자를 개발하는 기술자나 과학자들은 관습적이 전류방향을 표시하는 점에 화살표나 또는 점을 삽입시켜 사용하기

 

도 한다.

 

(Point !! 그릇에 물이 넘치면 + 적으면 - 그래서 물은 적은 곳으로 흐르듯, 전류는 + 에서 - 로 흐른다)

 

 

-전자의 개념-

 

전자는 1897년 톰슨이라는 과학자에 의해 발견되었다. 이 전자는 음전하(negative charge)를 갖고 있다는 것이 증명되면서 물질에서의 전하가 이동하는 개념도 쉽게 이해할 수 있었다. 모든 물질

 

은 물질의 속성을 갖는 최소의 입자인 분자로 구성되며, 분자는 원자로 구성되고, 원자는 물질의 속성을 갖고 있지 않다.

 

원자는 플러스로 대전된 원자핵(atom icnucleus)과 그 주위를 돌고있는 몇 개의 전자(electron)로 이루어지며 원자핵은 몇 개의 양자(proton)와 중성자(neutron)로 구성되어 있다. 전자는 핵으로부

 

터 작용되는 끌어 당기는 힘(흡입력)과 바깥쪽으로 미는 힘(반발력)이 정확하게 균형을 유지하게 된다.

 

다시 말해 전자는 원자핵을 중심으로 일정한 거리를 유지한 채 임의의 궤도를 회전하고 있다. 마치 태양을 중심으로 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 명왕성 등과 같은 혹성들

 

이 운행하는 것과 매우 유사한 것이다.

 

구리원자로 예를 들면, 구리원자는 원소의 주기율표에 나타나 있듯이 29개의 원자핵과 29개의 전자를 갖고 있는데 원자핵(일명 핵)의 주위에는 28개의 전자가 빈 공간없이 궤도를 회전하고 있

 

다. 이 때 이 궤도는 매우 작기 때문에 핵으로부터 강한 흡입력을 받게 되어 원자에 구속된 상태이다. 그러나 29번째 전자는 핵으로부터 먼 거리의 큰 궤도를 회전하기 때문에 상대적으로 핵으로

 

부터 받는 흡입력이 약하게 받게 되는 것이다. 따라서 29번째의 전자는 한 쪽 구리원자로부터 다른 구리원자로 쉽게 이동할 수 있게 된다.

 

이를 좀더 간단하게 설명하면 원자핵의 주위를 돌고 있는 전자 중에서 가장 바깥쪽 궤도의 전자는 원자핵과의 결합력이 약하여 궤도를 벗어나 물질안에서 자유롭게 움직이는 성질이 있는데 이

 

것을 자유전자(free electron)라고 한다.

 

(Point!! 원자를 기준으로 떨어져서 회전하는 것이 전자이며 가장 멀리 떨어져 회전하는것이 자유전자이다)

 

 

-전자의 흐름-

 

약간의 구리도선과 꼬마전구, 9V용 건전지를 이용하여 직접회로를 구성해본다.

 

전자의 흐름(election flow)이란 앞에서 설명한 관습적인 흐름, 즉 전류의 흐름과 정반대의 흐름을 말한다.

 

따라서 건전지의 음(-)단자에서 출발하는 자유전자는 구리도선을 통하여 꼬마전구의 필라멘트를 음극적으로 가열시킨 후 다시 구리도선을 통해 건전지의 양의 단자로 이동하게 되는 것이다.

 

(Point!! 전류의 흐름은 +에서 -로 흐르지만 전자의 흐름 즉, 관습적인 흐름은 전류의 흐름과 정반대다)

 

 

-전하-

 

전자회로의 특성, 동작을 설명하는데 필요한 몇 가지 양 중에서 가장 기본적인 양은 전하(electric charge)라 할 수 있는데 왜냐하면 모든 전자적인 효과는 전하의 공간적 분포 및 그 운동에 의하

 

여 나타나기 때문이다.

 

전하는 양성자(proton), 정이온이 갖는 정전하(positive charge)와 전자(electron), 부이온이 갖는 부전하(negative charge)로 구분되며 이의 M.K.S 단위로는 쿨롱(Coulomb), 즉 [C]이 쓰이고 있다.

 

전자 한 개의 전하량은 얼마쯤 될까? 라는 의문이 생긴다면 전자전공서적을 찾아보면 되지만 간단하게 설명한다면,

 

전자 한 개의 전하량(e)=-1.602 * 10^-19 [C] 이며 전자 한개의 질량은 대략 9.10955*10^-31 [kg] 인 것으로 알려져 있다.

 

(Point!! 복잡하니 대충 전하란 것이 모인 것이 전자다 라는 것만 알아두자)

 

 

-전류-

 

전류(electric current)란 양전하를 가지고 있는 물질 A와 음전하를 갖는 물질 B를 금속도선으로 연결하면 두 전하간의 흡인력으로 B의 음전하, 즉 자유전자는 양전하를 가지고 있는 물질 A로 이

 

동하게 되는데 이 때 물질 A에서 물질 B로 흐르는 것을 전류라 하며 앞에서 설명하였듯이 관습적인 흐름이라고도 한다.

 

한편 전류는 크게 직류(Direct Current)와 교류(Altenating Current) 두가지로 나누어진다.

 

직류란 그림과 같이 시간에 따라 전류의 세기와 방향이 일정한 전류를 말하며, 교류란 시간에 따라 전류의 세기와 방향이 주기적으로 변화하는 전류를 말한다.

 

그래프로 나타내면 X축을 시간 Y축을 전류로 나타내었을 때,

 

직류는 일정한 직선의 그래프이고 교류는 Y축의 +와 - 왔다갔다하는 파도물결모양의 곡선그래프이다.

 

(Point!! 전류는 양전하로 음전하가 흐르는 것이며, 전류의 종류는 크게 DC(직류)와 AC(교류)가 있다.)

 

 

3.전위와 전압

 

-물(水)과의 비유-

 

물은 수위(水位)가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 높은 지점과 낮은 지점사이의 수위차(水位差)가 클수록 흐르는 물의 세기 또는 흐르는 물의 속도는 커지게 되는 것이 자연적인 법칙이다.

 

통로속을 지나는 물의 흐름에 있어서 A지점은 B지점보다 수위가 높다는 사실을 알 수 있을 것이다. 따라서 B지점을 통과하여 흐르는 물의 속도는 A지점과 B지점 사이의 수위차, 즉 수압에 비례

 

함을 알 수 있을 것이다.

도체속의 전하의 이동또한 도체의 두 지점간의 전위차(electric potential difference)가 형성될 때 이루어진다는 사실을 알 수 있다.

 

전위는 전기적인 위치에너지라 할 수 있는데 이것이 바로 수위에 해당되며, 전위차또는 전압은 마찬가지로 수위차또는 수압 등에 해당한다

 

(Point!! 전위는 수위 전위차는 수위차)

 

 

☆tip☆전압의 단위는 볼트(v)인데 이것은 이탈리아의 물리학자인 "Alessandro Volta" 이름을 길이 남기기 위해 전압의 단위로 채용하였기 때문이다.

 

<출처:네이버오픈백과>