2. 기본 전기물리학.

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1 2. 기본 전기물리학

2 1.1. 물질 (matter) : 질량, 부피, 공간 점유 : 고체, 액체, 기체 : 물질 = 분자 (원자+원자…)….
1. 물질과 전자 이론 원자 (atom) ; 물질의 기본단위 입자 물질 (matter) 분자 (molecule) ; 물질의 기본구성 단위 물질의 특성 최소단위 1.1. 물질 (matter) : 질량, 부피, 공간 점유 : 고체, 액체, 기체 : 물질 = 분자 (원자+원자…)…. 물질은 질량과 부피를 가지고 있어 공간을 점유하고 무게를 측정 할 수 있으며 고체 액체 기체 세가지 물리적 상태로 존재한다. 물은 세가지 다 ….물질의 기본 구성단위는 분자 , 2개이상의 원자가 화학적으로 결합한것으로 물질의 특성을 갖는 가장 작은 입자 분자는 서로 끌어당기는 힘 (응집력) 과 분자들을 운동시키는 힘(운동력)이 작용한다 .. 따라서 물을 예로들면 온도에 따라서 분자끼리 서로 끌어들이는 응집력으로 고체형태의 얼음이 됐다가 온도가 가해지면 운동력이 증가해 분자가 운동성을 가지면서 점점 액체와 기체 형태로 바뀐다.

3 물질의 전자이론 1) 원자 (atom) = 양성자 (proton) + 중성자(neutron) + 전자 (electron) (1) 원자핵 (nucleus) : 원자 질량의 99.95% 차지 : 원자의 중심 부분 : 양성자 + 중성자 원자는 구형으로 존재 .전기적으로 중성 ,원자는 분자를 이루는 기본단위로서 더 이상 쪼개질수없다 양성자 중성자 전자로 구성되어있다.

4 양성자 (proton) : 양전하  원자핵 (양전하) : 양성자의 수  원소 (element)의 종류 결정 원자 번호 1 : hydrogen - 1 proton 원자 번호 6 : carbon - 6 proton 중성자(neutron) : 전기적으로 중성 (전하가 없음) : 원자핵에서 중성자가 차지하는 질량과 수는 양성자와 동일 : 매우 큰 원소에서 양성자의 수보다 많은 경우 존재  원자의 전기적 성질에는 무관, 원자량에 영향(동위원소)

5 (2) 전자 (electron) : 음전하 (-) : 핵 주위의 전자각 (shell) or 원자 궤도 (atomic orbit)를 돌고 있음 : 원자가 전기적으로 중성이므로 전자의 수는 양성자의 수와 같음 : 질량 = 원자의 0.05% (but 부피는 대부분을 차지) : 원자의 물리적 및 화학적 성질 결정 핵이 축구공이라면 전자가 돌고있는 궤도는 운동장이다. 원자의 물리적 화학적 성질을 결정 짓는데 매우 중요한데 전기는 전자를 핵에 구속시켜서 원자를 만들고 원자와 원자를 구속시켜서 분자와 물질을 만드는 힘을 갖고 있어서 물질의 성질을 결정한다.

6 2) 이온 (ion) : 원자가 전하의 평형(중성) 을 잃고 극성(전하)을 가진 경우 중성인 원자가 빛, 열, 정전장, 자기장, 마찰 등의 물리적인 자극이나 화학적 자극을 받게 되면 원자는 궤도의 외각에서 전자를 잃거나 얻게 되어 전기적 중성을 유지하지 못하여 음전하를 띠거나 양전하를 띠게 되어 전기적 성질이 변하게 되어 이온이 됨 : 단원자 이온 (monatomic ion) vs. 다원자 이온(polyatomic ion) ex) H, O ex) Na + Cl= NaCl 한 원자에서 만들어진 이온을 단원자 이온 cl-(염화 이온) , 두개 이상의 원자로 이루어진 이온을 다원자 이온 so42-(황산이온), no3-(질산이온)등은 다원자 이온

7 (1) 음이온(anion, negative ion) : 원자가 전자를 받아들이면, 음전하를 띠는 음이온이 된다
(1) 음이온(anion, negative ion) : 원자가 전자를 받아들이면, 음전하를 띠는 음이온이 된다. (2) 양이온 (cation, negative ion) : 원자가 전자를 잃어버리면, 양전하를 띠는 양이온이 된다 (3) 양쪽성이온 (amphoion) : 전체적으로 중성인 분자가 양이온 부분과 음이온 부분을 가진 원자단 으로 이루어진 것 Cl 염소가 17개의 양성자와 17개의 전자를 갖고 있는데 최외각의 전자 하나를 더 얻으면 상대적으로 양성자는 17 개 음성자는 18개니까 음이온이된다. Cl- , 반대로 최외곽의 전자 하나를 잃으면 양이온이된다. 예를 들어 Na+ 는 11개의 양성자와 11개의 음성자가 있었는데 음성자 한 개를 잃으면 상대적으로 양성자는 11개 음성자는 10개 니까 양이온이 되는 것이다. 양쪽성이온은 예를 들면 아미노산 분자는 아미노기와 카르복시기를 가지고있는데 수용액 속에서 카르복시기가 양성자를 방출하여 –coo-로되고 아미노기가 양성자와 결합하여 – Nh3+으로 되면 아미노산분자는 양쪽성이온이 된다

8 물질의 종류 1) 원소(element) : 물리적이나 화학적 방법으로 더 이상 조갤 수 없는 단순한 형태의 물질 : 114종의 원소 존재(자연 존재 – 90개 / 인공방사성 원소 – 24개) : 원자번호(atomic number, Z) = 양성자 수 : 원자의 질량수(atomic mass, A) = 양성자 수 + 중성자 수 : 원자 or 분자의 질량 단위 = 원자질량단위(amu) or 돌턴(Da)

9 2. 전기와 전류 전기 (electricity) Thales (BC 640~548) : BC 600년경 호박 (amber)이나 유리 등을 비단이나 모피 등으로 문지르면 가벼운 깃털이나 종이 등을 끌어당기는 능력이 발생  전기 : 대전 (electrification) = 물체가 전기를 띤 것 (물체 : 대전체) : 대전된 물체가 가지고 있는 전기량 = 전하 (electric charge) : 전기 = 전하를 가진 두 물체가 거리를 두고 작용하는 자연의 기본적인 힘 = 전자의 이동 현상  기계적인 일이나 열 등으로 변환시킬 수 있는 E

10 자연의 4가지 기본력 : 1. 중력 (gravitational force, gravity) 2
자연의 4가지 기본력 : 중력 (gravitational force, gravity) 2. 전자기력 (electromagnetic force) 3. 핵력 (nuclear force) 4. 약력 (weak force) 1. 중력 (gravitational force, gravity) : 질량을 가진 물질들 사이에 서로 당기는 힘 2. 전자기력 (electromagnetic force) : 전하를 가진 물질들의 전기적, 자기적인 힘 3. 핵력 (nuclear force) : 원자핵 안의 양성자, 중성자들이 함께 모여 있게 하는 힘 4. 약력 (weak force) : weak interaction or weak nuclear force, 중성자가 핵분열을 해서 전자(electron) 등으로 쪼개질 때 작용하는 힘 자연에는 중력 전자기력 핵력 약력의 네 가지의 기본력이 존재한다.

11 2) 화합물(compound) : 두 가지 이상 원소의 원자가 결합하여 만들어진 물질 : 공유결합 화합물 vs
2) 화합물(compound) : 두 가지 이상 원소의 원자가 결합하여 만들어진 물질 : 공유결합 화합물 vs. 이온결합 화합물 3) 혼합물(mixture) : 둘 이상의 원소나 화합물을 다양한 비율로 혼합한 물질 : 균일 혼합물 vs. 비균일 혼합물 대부분의 원소들은 다른 원소와 화학적으로 결합한 화합물 상태로 존재.. 원소의 결합은 원자에 있는 전자에 의해 이루어진다. 공유결합이란 원소들이 전자를 공유하여 화합물을 만든것이다. 예로 두개의 수소원자가 가까워지면 각 원자의 핵이 다른 원자의 전자를 강하게 끌어당겨 두 원자가 서로 침투해 들어가 핵 사이에 적절한 거리에서 한 쌍의 전자가 두 핵에 의해 서로 끌려 공유결합을 이룬다. 이온결합은 Nacl을 예를 들면 중성인 나트륨 원자가 전자를 잃어 나트륨 양이온Na+이 되고 염소가 전자를 얻어 염화이온 cl-가 된다. 이렇게 na cl과 같이 반대로 하전된 이온은 서로 끌어당기고, Na+ Na+, cl-, cl-같은 동일한 부호로 하전된 이온응 서로 밀어내어 na와 cl이 삼차원으로 규칙적으로 배열되어 화합물을 만든다.

12 전하 (Q, electric charge) - 단위 : 전하량 = C(coulomb) - 전하의 종류 : 음전하, 양전하 - 전하량 = 양성자와 전자 전하량의 대수합 알짜 전하량 (net charge) = 0 (비대전, 중성) - 전하 : 척력 vs. 인력 양성자 : +1,602 X C 중성자 : 0 C 전 자 : -1,602 X C 전하는 질량등과 같이 물질을 구성하고 있는 기본입자의 기본적인 특성이다. 전하는 전기적 성질을 띄는 양성자와 전자이다. 중성인 물체는 전자를 얻거나 잃음으로써 전하를 획득 한다 ,, 예를 들면 유리막대를 비단으로 마찰시키면 전자들이 유리에서 비단으로 옮겨간다. 따라서 두 종류의 전하 중 한 종류의 전하가 과잉상태로 남게 되어 유리막대는 양전하를 띄고 비단은 음전하를 띠게된다. 또한 전하는 같은 종류의 전하끼리는 서로 반발하고, 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당기는 특징을 갖고 있다 Coulomb's law : 전하 둘 사이에 작용하는 전기력(F)은 각 전하량(Q)에 비례하고 서로의 거리(r)의 제곱에 반비례한다. K=비례상수 QaQb r2 F= k▪

13 정전기 (static electricity) - 마찰전기 (friction electricity) : 마찰에 의해 발생하는 전기 - 정전기 : 마찰전기가 대전된 도체의 둘레를 절연체로 싸면 전기가 달아나지 못하게 되는데 이를 정전기라 함 : 정지해 있는 전하에 의해 일어나는 물리적 현상

14 전기장 (E, electric field) - 전기력이 작용하는 공간 (전하 주위에 생기는 공간의 변화) - 공간 상에 전하가 존재할 때 전하에 의해 생기는 각 지점의 전위차
서로 다른 두 전하가 가까이 있으면 전기장이 형성된다. 전기장안에 전하를 두면 전기력선의 방향으로 힘이 작용되는데 전기력선의 방향은 양전하에서 시작하여 음전하로 들어가며 , 전기장의 세기는 전하주위의 력선의 밀집상태 즉 전기력선의 수에 비례한다. 전기장이 강한곳은 전기력선이 밀집되고 전기장이 약한 곳은 전기력선의 간격이 멀리 떨어진다. 전기장의 크기는 전하의 크기에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다.

15 전류(electric current) - 전자의 흐름 : 음전하를 가진 전자가 양전하를 가진 곳으로 이동하는 것 전류가 두 점 사이에 존재하기 위한 조건 (1) 두 점 사이에 전하가 흐를 수 있는 길(도체)이 있어야 함 (2) 두 점 사이에 전위차(potential difference)가 있어야 함 - 전류의 세기(I) : 단위시간(t) 동안 임의의 지점을 통과하는 전하의 비율 전류의단위: C/s, A I = Q/t (C/s, A) 전류를 수도관에 비유 수도관이 있어야 물이 흐르듯 ,,,,,수도관에서 물의 흐름이 수압에 의존하듯 전하의 흐름도 전위차가 클수록 강한 전기장이 형성되어 전류흐르는 비율도 높아진다.

16 저항(resistance) - 정의 : 전류의 흐름을 방해하는 반작용 고유저항(specific resistance) or 비저항(resistivity) 컨덕턴스(conductance) : 도전율, 전류가 흐르기 쉬운 정도, 1/R 도체의 저항에 영향을 주는 3가지 기본 요인 도체의 구성 물질 (비저항 : 𝛒 ) 도체의 단면적 (A) 도체의 길이 (L)  R = 𝛒 * L / A 온도와 전기저항 - 금 속 : 온도 ↑ -- 저항 ↑ - 반도체 : 온도 ↑ -- 저항 ↓ - 초전도체 : 절대온도에 근접 - 저항 상실 전해질 : 전해질 농도, 이온 이동성 ↑ --저항 ↓ 저항도 역시 수도관을 생각하면 되는데 수도관이 굵으면 물이 잘 나오니까 저항이 적고 , 수도관이 길면 길수록 수도관과 물의 마찰면적이길어지니까 저항이 크고 또 물질 자체가 고유하게 갖는 저항을 비저항이라 하는데 그 비저항이 클수록 저항은 크다 ,,, 공식은 다음과 같고 같은 도체라도 온도변화에 따라 저항이 달라질수 있는데

17 Ohm’s law : 일정한 온도에서 일정한 저항을 갖는 도체에서 전류(I)는 전압(V)에 비례하고 저항(R)에 반비례 - 전압(V)는 전류(I)와 저항(R)에 비례 - 저항(R)은 전압(V)에 비례하고 전류(I)에 반비례 * I = V/R(I=전류, V=전압, R=저항) * V = IR * R = V/I 일정한 온도에서 일정한 저항을 갖는 금속도체에서는 전류 , 전압, 전기 저항이 일정한 관계를 가지는 옴의법칙이 성립된다.

18 전기의 전도 - 전류 : 전하가 한곳으로부터 다른 곳으로 흐르는 것 - 전자가 물질 속을 통하여 이동 할 수 있는 능력은 물질에 따라 다름 » 분류 : 도체(conductor) 절연체(insulator) 반도체(semiconductor) 초전도체(superconductor)

19 전류 전도의 형태 - 전류의 전도형태 : 전도 전류, 이온화 전류, 변위 전류 1) 전도 전류(conductive current) : 도체를 따라 흐르는 전류(고체 금속) 2) 이온화 전류(ionization current) : 이온에 의해 흐르는 전류 (액체나 기체) 3) 변위전류(displacement current) : 미약하지만 반도체나 절연체내에서 흐르는 전류

20 기전력과 전압 1) 기전력 - 전기적으로 평형 상태에서는 전압은 없어지고 전류의 흐름은 정지됨 - 연속적으로 전압을 만들어 주는 힘(electromotive force) 필요 - 외부 회로와 연결되지 않은 상태의 축전지, 발전기 혹은 다른 전기적 에너지원(전원)의 양끝에 존재하는 전위차 2) 전압(voltage) - 전기가 흐르게 하는 원인 - 두 지점간의 전위차로 전류를 흐르게 하려는 압력 3) 전력 - 전기 회로에 전압이 가해지면 전류의 흐름이 발생 - 전류가 흐를 때 전원(기전력을 일으키는 장치)으로부터 공급 받은 에너지  열에너지 or 자기 에너지 등과 같은 다른 형태의 에너지로 전환  일을 수행  단위시간당 일하는 능력(전력, electrical power) = 1초당 1 joule의 일을 하는 능력 - 단위 : watt(W) ( 1W= 초당 1 joule의 일을 하는 능력)

21 3. 자기와 자기장 자기와 자석 - 자기(magnetism) : 철 또는 강철 등의 크고 작은 입자를 흡인하는 성질 - 자석(magnet) : 자기의 성질(자력)을 가진 물질 - 자극(magnetic pole) : 철분을 흡인하는 힘이 강한 자석의 양 끝 부분 : 북극(N극), 남극(S극) 자석의 특성 : 어떤 물질을 흡인 2. 남극과 북극이 있음 3. 같은 극끼리 반발하고 다른 극끼리 서로 끌어 당김 4. 자기유도의 성질(자화)이 있음 5. 자기장(mag질netic field) 형성 자기 유도성질은 자석을 철이나 강철 같은 물질에 접촉시키면 철이나 강철이 자석이 되는 성질을 말한다. 자석 주위에는 자기력이 작용하는 범위가 형성되며 이를 자기장이라 한다.

22 자기장 (magnetic field) - 자기장 : 자석 주위 자기력이 작용하는 범위 - 자력선(magnetic force line) : 자기장에서 자력을 나타내는 가상의 선 (NS) : 자력선의 밀도  자력의 세기를 의미 : 자속(자력선의 수)  웨버(Wb, Weber) - 같은 방향으로 전류가 흐르는 두 도선 사이 = 인력 - 다른 방향으로 전류가 흐르는 두 도선 사이 = 척력 - 운동을 하는 전하(=전류) 사이에 작용하는 힘 : 자기력 : 자기력은 전하가 크고 더 빨리 움직일수록 커지고 : 자기장과 수직일 때 최대

23 전류와 자기장 외르스테드(Hans christian Oerstead, 1820) : 전선에 전류가 흐르고 있을 때 전선 주위에 자기장이 발생되는 현상을 발견 자기장 발생 - 직선도체 : 도체의 수직면에 동심원 모습으로 자기장 발생 - 원형코일 : 코일의 수직면 - 원통형코일 : 끝부분을 제외하고 코일 내부에서 균일하게 중심축에 평행 전류와 자기장의 방향 : 오른손 나사법칙 (right handed screw rule) - 앙페르(André-Marie Ampere) : 전류와 자기 사이에 일정한 관계를 규명 → 오른손 나사법칙

24 오른손 나사법칙 전류가 오른나사의 진행 방향으로 흐르면 자계는 나사의 회전 방향으로 발생 전류가 나사의 회전방향으로 흐르면 자계는 그 진행방향으로 생김 직선도체에서 전류에 의해 발생된 자기장의 세기(B) = 전류(I)에 비례, 도체까지의 수직 거리(r)에 반비례 ; B=k*I / r, k=2X10-7 B=knl (n코일

25 전자기장(electromagnetic field) 1) 전자기장 » 전하는 공간에서 전기장을 만듬 » 이동하는 전하 (전류)는 자기장을 만듬 » 전자기장 : 전기장과 자기장의 상호작용이 존재하는 공간 전기력 자기력 특성 같은 전하를 반발 같은 전류를 끌어당긴다. 력선의 방향 전하 사이에서 평행 전류의 방향과 수직 력의 크기 전하의 크기에 비례 거리제곱에 반비례 E=kq/r² 전류의 크기에 비례, 거리에 반비례 B=KI/r

26 전자기 유도(electromagnetic induction) : » 전자기 유도 ; 코일내의 자기장을 변화시켜 전압이 유도되는 현상 » 자기에 의해 전류가 발생하여 코일속을 지나는 자속이 변화함에 따라 코일에 기전력이 유도되는 현상 » 유도 기전력 (induced emf) : 전자기 유도에 의한 기전력 » 유도 전류 (induced current) : 유도 기전력에 의한 전류 » Inductor : 전류에 변화에 따라 자기 유도 기전력이 발생되는 회로 요소 » Inductance : 인덕터가 전류를 유도시키는 능력 (코일의 감은 회수, 폭, 길이, 단면적, 자성체인 철심의 특성 및 존재에 따라 다름 패러데이의 전자기유도법칙(1831) : 유도기전력의 크기에 관한 법칙 “유도기전력의 크기는 코일을 지나는 자속의 시간적 변화율과, 코일의 감은 수에 비례한다” 패러데이는 자기장에 의해 전기장을 만들어 내는 전자기 유도 현상을 발견했는데 도선의 코일에 검류계를 연결하고 자석을 코일쪽으로 움직이면 검류계의 바늘이 움직이게 된다. 즉 이현상은 코일에 전류가 발생됨을 뜻하며 이때의 기전력을 유도 기전력이라 하고 유도기전력에 의한 전류를 유도전류라 한다. 그림 2-10

27 전자기 유도와 플레밍의 오른손법칙 렌쯔의 법칙(Lenz’s law) : 청개구리 법칙 년 독일의 물리학자 렌츠가 발견 - 역전기력(back emf) ; 유도 기전력 또는 유도전류의 방향은 자속이 변화하여 감소 할 때는 이것을 증가 시키려는 방향으로, 또는 자속이 증가하려고 할 때는 이것을 감소시키려는 방향으로 발생, 즉 자속의 새로운 변화에 저항하는 방향으로 나타남 플레밍 오른손법칙은 영국의 전기 공학자인 플레밍이 런던대학교 교수로 지내면서 전기 기술의 기초를 학생들에게 알기 쉽게가르치기 위해 고안한것,,, 전류 , 방향에 ㄷ자기장, 도체운동방향에 관한 법칙 으로 자기장 속을 움직이는 도체 내에 흐르는 유도전류의 방향과 자기장의 방향 ,도체의 운동방향과의 관계를 나타낸 법칙을 말하는데 자기장 속에서 도선이 움직일때 유도되는 전류의 방향을 오른손을 이용하여 알 수 있다. 자기장 내부의 도체판에 대해 가한 자기장을 변화시키면 자기장의 변화를 방해하는 전류가 흐르게 되며 이를 맴돌이 전류라한다. 맴돌이 전류는 도체가 자기장의 변화에 저항하는 렌츠의 법칙에 의해 나타나며 이때 전류의 방향은 전류에 가해진 자기장의 변화에 반대되는 자기장을 생성하는 방향으로 결정된다. 맴돌이 전류는 자기장의 변화에 저항하는 전류로 이는 자기장 내에서 움직이는 도체의 운동을 방해하는 효과로 나타난다. 맴돌이 전류 (eddy current) » 와전류 or 푸코전류 (Foucault current) » 자기장 내부의 도체판에 대해 강한 자기장을 변화시키면 자기장의 변화를 방해하는 전류가 흐르게 되며 이를 맴돌이 전류라 함

28 전자기파 (electromagnetic wave) » 빛을 비롯한 모든 전자파는 횡파(transverse wave)로 전달 » 전자파가 진행할 때 전기장의 변화가 자기장의 변화를 일으키고 반대로 자기장의 변화가 전기장의 변화를 일으켜 전기장과 자기장의 진동이 번 갈아 가면서 전자에너지를 전달 » 전기장과 자기장의 진동방향은 전자파의 진행방향에 수직 28

29 전기 용어 전하(electric charge, charge, Q) : 물질을 구성하고 있는 소립자의 물리량을 표현하는 기본적인 것 전류(electric current) : : 전위차가 있는 두 점간의 도체를 흐르는 전자의 이동 전압(voltage) : V : 두 점간의 전위의 차이로 1Ω의 저항을 통해 1A의 전류를 운반하는 데 필요한 기전력 기전력(electromotive force) : 전지나 발전기와 같이 전원이 계속해서 전압을 만드는 힘 – 단위: V(volt) 전력량 : 전기가 하는 일, 단위 : J(joule)  실용적으로 Wh(Watt.hour)의 단위 사용 전력(electric power) : 1초간 일을 하는 전력량, W or kW

30 전기저항(electric resistance) : 전류가 통하기 힘든 상태를 나타내는 물리량  단위 : Ω(ohm) 비저항(resistivity, specific resistance) : 단위 길이에 대한 물질의 전기저항  Ω.m (ohm meter ) 도전율(conductance) : 전기전도율, 비전기전도도(specific electric conductivity) : 저항의 역수를 도전율 주파수(frequency) : 교류전류의 위상이 양과 음으로 완전히 한 쌍을 반복한 싸이클이 1초 동안에 나타난 수, : 단위는 Hz(Hertz), cps (cycle per second), pps (pulse per second) 임피던스(impedance) : 코일과 콘덴서및 저항을 포함한 전기회로 내에서 교류전류가 흐를 때 저항과 같이 작용하는 모든 저항성분, 단위-(Ω

31 콘덴서(condensor) or 축전기 : 금속판을 서로 맞대어 배열하여 서로 절연시켜서 전하를 축전하는 도구, 즉 정전유도를 이용하여 전기를 축전하는 도구 정전용량(capacitance) : 콘덴서가 전하를 축적하는 크기, 즉 1V의 전압을 가했을 때 극판에 1C의 전하를 축전하는 용량, 단위 : F(farad) 또는 C/s(coulomb/second) 전기화학당량(electrochemical equivalent, ECE) : 전해질에서 1C의 전기량으로 석출되는 물질의 양