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전기란 무엇일까?
전기는 영어로 Electricity라고 합니다. 이것은 그리스어 Electron에서 유래한 말로, 본래는 호박을 의미합니다.전기가 어떻게 생겨났는지 아세요? 에디슨이 백열전구를 발명 (1879년)하고 20년쯤 지나서 영국의 물리학자 톰슨은 여러 가지 실험 끝에 전기라는 것이 아주 미세한 입자라는 것을 알아냈습니다. 그는 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 한다는 것을 알고 전자(일렉트론)라고 이름을 붙였습니다. 전기는 아주 미세한 입자로서 플러스(+) 전기와 마이너스(-) 전기가 있는데 이 작은 입자가 빛도 만들고 열도 나게 하는 역할을 합니다. 이 미세한 입자를 전자라고 부르고 전자의 흐름을 전류라고 합니다. 바로 이 전류가 우리의 일상에 필요한 여러 가지 일을 하고 있습니다.
전기의 이동
여러 종류의 발전소에서 만들어진 전기는 손실을 줄이기 위해 발전소 안에 있는 변압기에서 지역의 특성에 알맞은 수준의 전압(66kV, 154kV, 345kV, 765kV)으로 높아져 인근의 송전용 변전소에 모입니다. 이곳에서는 높은 전압을 사용하는 대규모 공장이나 전기 철도 등에 직접 전기를 보내주고 남은 전기를 철탑으로 연결된 송전선로를 통해 일반 가정 가까이에 있는 배전용 변전소로 보냅니다.
배전용 변전소에서는 다시 변압기를 통하여 배전용 전압(주로 22.9kV)으로 낮추어 빌딩이나 공장 등으로 전기를 보내 주거나, 배전선로를 통해 주상변압기로 전기를 보내게 됩니다. 이를 길가나 집 근처의 전주 위에 놓인 주상 변압기에서는 다시 전압을 220-380V로 낮추어 가정이나 학교, 주유소, 소규모 공장으로 전기를 보내 줍니다.
가정에서는 분전반을 통해 각 방의 조명, 콘센트 등으로 전기가 흘러갑니다. 이 분전반은 계량기, 누전차단기, 커버나이프 스위치로 구성됩니다. 계량기는 전기의 사용량을 검침하는 역할을 하고, 누전차단기는 누전발생시 전기를 차단하여 감전이나 화재를 방지하는 안전장치를 말합니다. 또, 흔히 두꺼비집이라고 하는 커버나이프 스위치는 가정 내 전기가 휴즈용량 이상으로 흐를 경우 자동으로 전기를 차단하여 옥내배선을 보호하는 계기입니다.
마찰과 전기
건조한 날이 많은 겨울철에는 누구나 한번쯤은 셔츠나 스웨터를 벗을 때 ‘찌지직 찌지직’ 하는 소리가 나거나, 자동차 키를 삽입하는 순간 ‘파-직’하고 전기가 통해 깜짝 놀란 적이 있을 것입니다. 이는 물건을 서로 문지르면 (-)와 (+)의 전기를 가진 알맹이로 갈라지기 때문입니다. 마찰전기로 인해 발생한 정전기는 (-)로 (+) 대전된 전기 알맹이들은 서로를 끌어당기고, 같은 극끼리는 서로 반발하게 만듭니다.
그러면 전지도, 콘센트도 없는데 어떻게 전기가 발생하였을까요?
마찰전기는 원자의 구조로 설명할 수 있습니다. 즉, 중심에 플러스(양)전기를 가진 양자(proton)와 전기를 갖지 않은 중성자(neutron)로 이루어진 원자핵이 있고, 그 둘레를 마이너스(음)전기를 가진 전자(electron)가 돌고 있습니다. 보통의 물질이라면 양자의 수와 전자의 수가 같기 때문에 플러스와 마이너스의 전기량은 균형이 잡힌 상태입니다. 따라서 물질 전체로서는 전기적으로 중성이 되어 있습니다.
그러나 원자핵과 전자자의 결합이 마치 본드라도 붙여놓은 것처럼 그렇게 단단하게 결합되어 있는 것은 아닙니다. 물질에 따라서는 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자가 핵(원자핵)에 비교적 약하게 결합되어 있을 수도 있습니다. 그럴 경우 외부로부터 어떤 에너지(이를테면 열이나 빛, 마찰 등)를 받게 되면, 그 전자는 궤도에서 벗어나 자유로이 떠돌아다니게 됩니다. 이런 떠돌이 전자를 자유전자라고 하는데, 이 자유전자가 이동함으로써 정전기가 발생하는 것이고 이를 ‘전기가 흐른다’고 말하는 것입니다.
그러면 정전기 현상은 왜 겨울에 많이 느끼게 되는 것일까요? 겨울철에 정전기가 쉽게 일어나는 것은 공기가 건조하기 때문입니다. 공기가 습하면 몸에 대전된 전하가 달아나기 쉬운데 비해, 공기가 건조하면 전하가 잘 달아나지 않고 모여 있다가 특정한 조건이 되었을 때 흐르는 특징이 있습니다.
젖은 손으로 전기를 만지면
순수한 물이 전기가 통하지 않는 부도체라고 하면 ‘설마’하고 놀라는 사람도 있을 지도 모릅니다. 속으로 ‘그럼 왜 물 묻은 손으로 전기를 만지면 안 된다고 하지?’라고 궁금해 할 것입니다.
누가 뭐라고 해도 순수한 물은 틀림없는 부도체입니다. 100% 순수한 물인 증류수를 컵에 넣고 테스트봉을 물 속에 넣어 전기의 흐름을 조사해 보면, 결코 전류가 흐르지 않는다는 사실을 알 수 있습니다.
그러나 수돗물을 가지고 같은 실험을 하면 소량의 전기가 흐릅니다. 왜 그럴까요? 그것은 수돗물이 순수한 물이 아니고 여러 가지 불순물이 혼합되어 있기 때문입니다. 그 불순물 속에 전해질(電解質)이라고 하는 전기가 통할 수 있는 물질도 함유되어 있어서 전기를 통과시키는 역할을 하는 것입니다. 전해질이란 이온 결합에 의해서 생긴 물질로, 물 속에서 원래의 양이온과 음이온으로 전해된 것을 말합니다. 이러한 이온이 존재하지 않는 증류수는 전기가 통하지 않지만 보통의 수돗물에는 소량의 이온이 함유된 상태이기 때문에 전기가 흐를 수 있습니다. 전해질의 양이 많으면 많을수록 전기는 잘 통하게 됩니다. 손의 땀도 염분이란 전해질을 함유하고 있어 땀에 젖은 손은 전기가 잘 통합니다. |
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