전류에 대한 질문들
by 송화은율전류에 대한 질문들
1). 전자나 이온에 의해 운반되는 전하의 흐름이 전류이며 양전하의 이동 방향을 전류의 방향으로 정한다. 이와 같이 전류가 흐르기 위해서는 어떤 조건이 구비되어야 한다고 생각하는가?
▶답 : ⓐ 전하가 이동할 수 있는 회로(도선)가 있어야 한다. ⓑ 전하를 이동시킬 수 있는 전기장이 있어야 한다. ⓒ 전하의 운반체가 계속적으로 공급되든가 순환되어야 한다.
2). 고체(도체)내에서는 자유전자가 또, 액체내에서는 이온물질에 의하여 전류가 흐른다. 기체내에서는 전류가 어떻게 흐를까?
▶답 : 전류는 기체내에서도 흐르게 되는데 공기를 제거하고 희박한 기체가 들어 있는 유리관(방전관)의 양 끝에 높은 전압을 걸어주면 전류가 흐른다.(진공 방전) 방전관 내의 희박한 기체는 소량이기는 하나 양이온과 전자를 함유하고 있어서 여기에 전압을 걸어 주면 전류가 흐르게 된다. 이 때 전압을 높여 주면 전자의 이동속도가 빨라져 기체분자를 전리시켜 전자와 양이온을 많이 만들고 해서 많은 전류가 흐르게 된다.
3). 저항의 연결법에는 직렬 연결과 병렬 연결법이 있다. 각각의 장단점을 말해 보아라?
▶답 : 직렬 연결은 많이 연결할 수록 전체 저항이 커져 과다한 전류의 흐름을 막을 수 있다. 즉, 전력을 절제 할 수 있는 반면 병렬 연결은 전체 저항이 오히려 줄어들어 한꺼번에 전력을 사용하게 되어 전력 소모가 많다. 직렬 연결의 단점은 이웃 저항과 연대하여 사용하기 때문에 많이 달수록 저항당 할당량이 줄어들고 하나의 저항이라도 파손되면 전체가 사용 불능 상태가 된다. 그러나 병렬연결은 이웃 저항과는 독립적이기 때문에 이웃 저항의 파손과는 상관 없이 독립된 전압을 유지하여 사용 할 수 있다.
4). 건전지를 한참 사용하고 나면 성능이 떨어져 사용할 수 없게 되는데 이런 현상을 내부 저항과 연계하여 설명해 보라.
▶답 : 건전지도 마찬가지로 사용을 많이 하게 되면 내부 저항이 커지고 내부 저항에 의한 전압강하가 커져서 사용이 불가능하게 되는 것이다.
5). 여름철 감전 사고가 많이 일어나는데 그 원리는 무엇인가? 고압선에 앉아 있는 참새의 안전을 고려하여 설명해 보자.또, 감전 사고가 났을 때 대처 요령을 말해 보라.
▶답 : 구름과 지면 사이에 상치된 전기가 지면에 가까워지면 구름에 모인 거대한 전기가 높은 나무나 건축물을 타고 지구로 들어가게 되는데 이 과정 중에 있은 사람은 감전에 의하여 죽게 되는 것이다. 또, 높은 전압이 걸려있는 두 가닥의 전선에 참새가 걸터 앉게 되면 참새에게 전류가 흘러 감전된다. 그러나 한 가닥에 두 다리를 올려놓고 앉은 참새는 감전 되지 않는다. 그 이유는 도선에 비하여 참새의 저항이 크기 때문에 모든 전류는 도선으로만 흐르기 때문이다. 일단 감전 사고가 일어 나면 다른 사람이 접근하여 감전된 사람을 만져서도 아니 되므로 전문가에게 의뢰하여야 한다.
6). 전지속에도 저항이 있다. 이를 내부 저항이라고 한다. 볼터 전지의 원리에서 내부 저항은 왜 생기는가? 이것을 줄일 수 있는 방법은 무엇인가?
▶답 : 볼터 전지에서 수소원자가 구리판으로부터 전자를 얻어 수소 기체분자가 되면 구리판과의 응집력 때문에 수소 기체가 증발되지 못하고 구리판에 달라붙어 있게 된다. 따라서 다른 수소이온이 전자를 얻지 못하기 때문에 도선상의 전자 흐름을 방해하게 되는 것이다. 이것이 내부 저항이다. 이러한 수소 기체를 빠르게 증발 시키기 위해서는 구리판을 흔들거나 소거제를 사용한다.
7). 물체 A는 적은 음전하를 갖고 있고 물체 B는 적은 양전하를 갖고 있다고 가정하자. 물체 C는 매우 많은 음전하를 갖고 있다. A와 B는 구리선에 연결되어 C에 매우 가까이 놓였으나 접촉하지는 않는다. A에 있는 음전하가 어떻게 되겠는가?
a) 구리선을 통해 B로 흐를 것이다.
b) C의 척력 효과로 인해 B로 흐르지 않을 것이다.
▶답 : 비록 C의 음전하에 의해 전자들이 제자리로 돌아갈 것처럼 보이지만, 문제는전선을 전자라는 작은 공이 흐르는 빈 유리관으로 생각한 데서 발생한다. 그와 같은 생각은잘못된 것이다. 만약 그 생각이 옳았다면 정답은 b)가 된다. 그러나 사실 전선에서의 전류는마치 C가 없는 것처럼 흐른다. 전선속의 전자들은 C의 영향으로부터 전선의 내부를 차단한다. 이것은 다음과 같이 발생한다. A와 B없이 단지 전선과 물체 C만을 고려하자. C 근처의 전선에 양전하가 대전되는 한편 C로부터 먼 부분의 전선에서는 음전하가 대전된다. 이렇게 유도된 전하 분포는 전선 내부에 전기장을 형성하여 C에 의한 전기장과 완전히 균형을 이루게 된다. 이와 같은 현상은, 전선 내부의 순전기장이 없어질 때까지 전선 내부의 순간적인 전자의 흐름에 의해 발생한다. 그러면 부가적인 위치에너지 차가 만들어질 때까지(즉 A와 B가 등장할 때까지)는 더 이상의 흐름은 없게 된다. 물론 C의 효과를 상쇄시키는 전하의 재분포를 위한 충분한 자유 전자가 전선에 존재해야 한다. 그러나 전선에는 충분한 자유 전자가 존재하지 안는다면 전선을 C의 효과로부터 완전히 막지는 못한다. 실제로 금속 전선에는 항상 충분한 자유전자가 있으나, 상대적으로 적은 자유 전자를 갖고 있는 게르마늄 같은 반도체 물질들도 있다. 이런 현상은 필드효과 트랜지스터(field-effect transister)라 불리는 전기 밸브를 만드는 데 유용하다. 이 장치는 적은 전자의 흐름을 다른 전자들에 의해 정지시킬 수 있는 것으로서, 그림에서 보는 것처럼 작동한다. 반도체 브리지(다리)는 두 개의 금속 전선과 연결되어 있다. 보통 전자들은 근원 전선으로부터 반도체 브리지를 통해 유출 전선으로 흐른다. 그러나 만약 다리에 접촉하지 않으나 매우 가깝게 위치한 게이트(문)라 불리는 다른 금속 조각이 브리지의 전자들을 밀어내도록 음으로 만들어 진다면 그것에 의해 전류가 정지하여 밸브가 잠길 것이다. 만약 브리지를 구리로 만든다면 이 전기 밸브는 작동하지 않게 된다. 왜냐하면 브리지의 윗부분에는 게이트의 음전하로부터 브리지 밑에 있는 물질을 보호하기 위한 충분한 양전하가 존재하기 때문이다. 그러나 반도체에는 브리지를 보호하기 위한 충분한 자유 전자가 없다. 필드 효과 트랜지스터의 개념은 1920년대 발견되었으나 1960년대에서야 실용 가능해졌다. 접합 또는 쌍극 트랜지스터라 불리는 다른 타입의 트랜지스터가 있는데 이것은 대부분의 물리학 책에 설명되어 있다.
블로그의 정보
국어문학창고
송화은율