(기초 물리) 전하, 전위, 전압, 전류, 저항 이해하기

전하(Electric charge)

 
물체가 전기를 띠게 되는 형상을 대전이라 하는데, 대전 된 물체가 가진 전기의 양을 전하(Electric charge)라고 한다. 왜 전하를 띠게 되는 걸까? 원자를 살펴보면 원자핵의 양성자는 + 성질을 띠고 그 주변을 도는 전자는 – 성질을 띤다. 그 중 최외각 전자는 원자핵으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 원자핵의 인력으로부터 쉽게 벗어나 이리저리 돌아다니는데 이런 전자를 자유전자라고 한다. 여기서 전자를 잃어버리게 되면 양성자가 전자에 비해 많게 되므로 전체적으로 +성질을 띤다. 반대로 전자가 더 붙게 되면 전자가 양성자보다 더 많아져 -성질을 띤다. 
 
 
 
전위(Electric potential)와 전압(Voltage)
 
두 점 전하 사이에는 전기력(정전기적 인력/척력)이 작용하는데, 이러한 전기력이 미치는 공간을 전기장(Electric field)이라 한다. 전위(Electric potential)는 전기장 내의 특정 위치에서 단위전하가 가지는 전기적 위치 에너지를 뜻하며, 단위는 J/C이며 보통 V(볼트)라 부른다. 다른 말로 전위는 전기를 움직일 수 있는 자유전자가 얼마나 많은가를 뜻한다. 그런데 전기는 상대적 개념이기 때문에 전위의 차인 전위차라는 개념을 사용하게 되고, 다른 말로 전압이라고도 부른다. 
풍선을 불게 되면 풍선 내부 압력은 높지만 외부는 그에 비해 압력이 낮다. 풍선의 입구를 열면 공기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흘러 풍선의 공기가 빠지는 것처럼, 전기도 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 전기(전자의 움직임)가 흐른다. 
 
 
 
전류(Electric current)와 저항(Resistance)
 
 전하의 흐름을 전류라고 하는데, 수학적으로 1초당 흐르는 전자의 양을 말한다. 부푼 풍선의 입구를 열어주면 바람이 나오듯, 전압에 의해 전기가 움직이게 되면 전류라고 한다. 1800년대에 전류의 흐름이 전자의 흐름이라는 것을 알지 못했던 과학자들이 전류의 방향을 전지의(+)극에서 도선을 따라 (-)극으로 흐른다고 약속해 버렸다. 그래서 전류는 (+)극에서 (-)극으로, 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동하는 것으로 규정되었다.
 전기에서 저항은 도체에서 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리량으로, 기호는 R, 단위는 옴(W)이다. 1W은 1V의 전압으로 1A의 전류가 흐를 때의 저항을 말한다. 저항은 도선 길이에 비례하고, 단면적에 반비례한다. 옴의 법칙을 살펴보면 도체에 흐르는 전류는 이러한 저항에 반비례하고 전류에는 비례한다. 독일의 옴이 발견하여 그의 이름을 사용하여 불리는 옴의 법칙은 앞서 풍선을 분 후 입구를 여는 상황에 비유해 설명할 수 있다. 만약 풍선 입구를 꽉 누르게 되면 바람이 조금 나올 것이다. 반대로 풍선 입구를 느슨하게 쥐면 바람은 많이 나올 것이다. 이처럼 전류는 저항이 높을수록 전압이 일정하면 적어지고, 저항이 낮을수록 전압이 일정하면 전류는 많아진다.