전위와 기전력

2022.05.13 - [물리학II 클립] - 전하와 전기장

전하와 전기장

물리학 I 과 물리학 II의 연결고리

 

1. 전위

①중력장에서의 상황

②전기장에서의 상황

중력장에 위치한 물체가 갖는 잠재적인 에너지의 변화(중력 퍼텐셜 에너지의 변화)가 물체의 운동 에너지에 변화를 야기했듯, 전기장에 위치한 전하가 갖는 어떤 잠재적인 에너지의 변화가 전하의 운동 에너지에 변화를 야기하는 듯하다.

전기장에서도 전체 에너지는 보존되어야 한다는 논리로 식을 전개하다 보면, 중력장에서 퍼텐셜 에너지 변화량의 음수 값이 중력이 하는 일과 같다는 관계식과 유사한 관계가 전기장에서도 적용됨을 확인할 수 있다.

즉, 전기장에서 퍼텐셜 에너지 변화량의 음수값이 전기력이 하는 일과 같다. 따라서 전기장에서도 전기 퍼텐셜 에너지가 정의된다. 사실 전기력이 하는 일도 경로에 관계없다. 중력과 같은 특징을 갖는 셈이다. 그러므로 전기력에 대해 퍼텐셜 에너지가 도입되는 것이다.

전기적 현상은 수많은 전하들이 야기하는 통계적인 결과이기에, 단위 전하가 갖는 값을 기준으로 물리량을 산정하는 것이 효율적이다. 이런 취지로 단위 전하가 갖는 전기 퍼텐셜 에너지를 '전위'라고 정의한다.

따라서 '전위'란 단위 전하 q의 전기 퍼텐셜 에너지(U)를 단위 전하 q로 나눈 값이다.

어떤 점의 전위는 기준점에 따라 다른 값을 가질 수 있다. 그렇지만 같은 상황에서 두 지점의 '전위차'는 기준에 관계없이 같은 값을 가진다.

2. 기전력

①기전력과 전위차

도체에는 자유 전자와 같이 자유롭게 움직일 수 있는 (-)전하를 띤 입자가 있다. 그림 (가)와 같이 도체의 두 지점 A와 B의 전위가 다르다면 퍼텐셜 에너지가 높은 곳에 있던 전하가 낮은 곳으로 이동하여 전류가 흐른다. 

따라서 어떤 지점의 전위의 차이가 전류를 흐르게 한다. 

그런데 전하의 이동으로 인하여 언젠가는 (나와) 같이 두 지점의 전위가 같아진다. 이렇게 되면 더 이상 전하는 이동하지 않게 된다. 마치 물이 채워진 용기에 비어 있는 용기로 물이 이동하다 높이가 같아지는 순간 물의 흐름이 없어지듯이 말이다. 만일 낮은 곳으로 흘러 들어온 물을 펌프로 뿜어서 두 용기에 담긴 물의 높이 차이가 계속 일정하도록 해 주면 관을 통해 흐르는 물의 양도 일정할 것이다.

 

②기전력을 갖는 것들

도체에 계속 전류가 흐르도록 하려면 A지점의 전위가 B지점 보다 계속 높게 유지되어야 한다. 이렇게 두 지점의 전위차를 유지해 주는 능력을 '기전력'이라 한다. 따라서 기전력과 전위차를 같은 성격의 개념으로 보는 것이다. 기전력의 단위는 전위와 같이 V를 사용한다. 

전기 회로에서 건전지가 전위차를 유지해주는 역할을 담당한다. 건전지에 표시된 1.5V, 3V 등등 이 숫자는 건전지가 회로에서 전위차를 유지해주는 능력, 기전력의 수치를 의미한다. 건전지의 기전력은 산화·환원 반응에 의해 생기는 화학 에너지에서 비롯된다. 

발전기에서는 전자기 유도 현상을 이용하여 기전력을 만들어낸다.

태양 전지는 pn접합면에 입사한 빛 에너지에서 기전력이 비롯된다.