전류
- 사전 필요 개념
전류(electric current)는 전위차(potential difference)가 있어야 발생한다.
전위차는 전압(voltage)이라고도 표현한다.
전류에 대해 가질 수 있는 오개념 중 하나는 전하량(electric charge)의 차이가 전류를 일으킨다고 생각하는 것이다.
그러나 전위(electric potential) 개념은 그런 것이 아니다.
전위
쉽게 생각하면 이런 비유가 있다.
만약에 낮은 곳에 있는 바다와 높은 곳에 있는 수도관이 있다고 생각해보자.
물은 어디서 어디로 흐를까?
비록 바다가 물이 더 많다고 할지라도, 물은 수도관에서 바다 쪽으로 흐른다.
또 한 가지는 이런 비유가 있다.
만약에 공간이 엄청나게 넓고 널널한 풍선과, 공간이 좁아터지는 풍선이 있다고 생각해 보자.
공기의 총량은 공간이 넓은 풍선 쪽이 더 많을 수도 있다.
하지만 둘을 연결하면 작은 풍선 쪽 공기가 큰 풍선 쪽으로 이동할 것이다.
이 또한 전위차를 설명하는 비유 중 하나라고 할 수 있다.
실제 전위
그러나 이러한 쉬운 비유는 일부 전기적 특성을 몇 가지 반영해주지 못한다.
우선 가장 큰 차이점은 전위차는 사실 ‘상대적’인 개념이라는 것이다.
공기의 양이나 물의 양은 절대적인 총량이 존재한다.
하지만 전위차에는 그런 개념이 존재하지 않는다.
예를 들어 땅에 접지한 상태를 그냥 0V라고 정의할 수도 있고, 회로의 특정 지점을 0V라고 정의해 버릴 수도 있다.
즉, 그건 어떤 절대적인 값이 ‘0V’라기보단 그냥 그걸 기준으로 보기로 했기 때문에 ‘0V’인 것에 가깝다.
전류 방향
전류의 방향은 관례적으로 플러스(+)에서 마이너스(-)로 흐른다고 간주한다.
양전하는 + 기호에서 - 기호로 이동하기는 한다.
그러나 물리적으로 양전하는 전자의 공석 같은 상태다.
그래서 물리적인 이동만 따지면 사실 전자가 - 기호에서 + 기호로 가는 것이다.
전류 속도
전기적 현상을 유체로 이해했을 때 또 한 가지 반직관적인 사실 중 하나는 전자의 이동속도다.
은연중에 전자가 물리적으로 빠르게 흘러 전기를 공급해주는 것이라고 생각한다면, 사실 거리가 먼 곳에서 스위치를 켰을 때 전등이 바로 켜지는 점이 설명되지 않는다.
실제 도선 내부에서 전자는 매우 천천히 흐른다. 그런데 전등은 왜 바로 켜지는가?
이것도 비유를 하자면, 안에 물이 꽉 들어차 있는 수도관을 놓고, 어느 한쪽에서 물을 밀어넣는 걸 시도할 때 반대쪽에서 다른 물이 바로 나올 것과 비슷하다.
그러나 이 또한 한 가지 오해를 일으킬 수 있다. 그럼 전등 쪽 전자가 천천히 전등 쪽으로 밀려나며 전등에 의해 물리적으로 소모되는 것인가? 그렇지 않다.
전등 내부에도 전자는 존재하며, 그 내부에서도 전위차가 발생하여 전등이 켜지는 원리라고 보는 것이 정확하다. 그렇게 전위차를 일으키는 방식에는 크게 직류와 교류가 존재한다.
직류
전위차를 발생시키기 위한 수단으로 가장 떠올리기 쉬운 것은 직류(DC, direct current)다.
실제로 토마스 에디슨의 직류는 1882년으로 좀 더 일찍 나왔으며, 니콜라 테슬라의 교류는 1888년으로 좀 더 늦게 나왔다.
직류가 쓰이는 흔한 사례 중 하나는 배터리다.
배터리에는 +극과 -극이 존재하며, 직류 형태로 항상 일관적으로 흐른다.
여기서 전류의 방향을 +극에서 -극으로 흐른다고 잡기는 하는데, 사실은 그게 아니고 말했다시피 -극의 전자가 +극으로 흐르는 것이다.
그렇다면 그것은 회로에서 전기가 닿는 순서를 잘 설명해주는 것인가?
하마터면 +극 쪽 장비가 먼저 켜지고 -극 쪽이 나중에 켜진다고 오해할 뻔했는데, 덕분에 -극 쪽 장비가 먼저 켜지고 +극 쪽 장비가 나중에 켜진다는 것을 알 수 있게 된 것인가?
사실은 그게 아니고 회로 내부에서 전기는 모두 거의 동시에 흐른다.
쉽게 생각하자면 물리적으로 무언가가 도달하면서 회로가 작동하는 게 아니라, 처음부터 끝까지 전위차라는 개념하에 종속되어 동시에 돌아가야만 하는 장(field)이라 생각하면 편하다.
그렇다면 직류만으로 전위차를 발생시키기에 좋아보이는데, 단점은 무엇인가? 굳이 교류가 나올 이유는 무엇인가?
교류
직류의 가장 큰 단점은 변압이 어렵다는 것이다.
변압을 하려면 한쪽 코일에 전류를 흘려 자기장을 만들고, 이 자석의 변화를 통해 반대쪽 코일에 새로운 전압을 유도해야 하는데, 이때 핵심은 자기장이 계속 변해야만 반대쪽 코일에 전기가 유도된다는 점이다.
직류는 전류가 항상 일정하기 때문에 코일 주위에 생기는 자기장도 자석을 그냥 가만히 멈춰둔 것처럼 변하지가 않는다.
그래서 자기장의 변화가 전혀 없기 때문에 반대쪽 코일에는 아무런 전압도 걸리지 않는다.
반면 교류는 전류가 계속해서 바뀌기 때문에 코일 주변의 자기장도 마치 자석을 넣었다 뺐다 하는 것처럼 끊임없이 변화된다.
이렇게 변화하는 자기장은 반대쪽 코일을 자극하여, 코일의 감은 비율에 따라 전압을 쉽게 높이거나 낮출 수 있다.
교류는 안정성 면에서도 다른데, 직류는 일방향적이기 때문에 전류가 계속해서 흐르지만, 교류는 양방향적이라서, 중간중간에 0V가 되는 지점을 거쳐야 하기 때문에 차단도 쉽고 좀 더 안전하다.
그리고 실사용 측면에서도 직류는 반드시 +극과 -극을 맞춰야 하는 것에 반해서, 교류는 가정용 콘센트에 어느 방향으로 코드를 꽂아도 상관없기 때문에 일반인들이 사용할 때 좀 더 안전하다.