다양한 원자 유형의 전자는 움직일 수 있는 자유도가 다릅니다. 금속과 같은 일부 유형의 재료의 경우 원자의 가장 바깥쪽 전자는 너무 느슨하게 결합되어 실온 열 에너지의 영향에 불과하여 그 재료의 원자 사이 공간에서 혼란스럽게 움직입니다. 이러한 사실상 결합되지 않은 전자는 각자의 원자를 자유롭게 떠나 인접한 원자 사이의 공간에서 떠다닐 수 있기 때문에 종종 자유 전자 라고 합니다 .
도체 대 절연체
유리와 같은 다른 유형의 재료에서는 원자의 전자가 움직일 수 있는 자유가 거의 없습니다. 물리적 마찰과 같은 외부 힘은 이러한 전자 중 일부를 해당 원자에서 벗어나 다른 재료의 원자로 이동시킬 수 있지만, 해당 재료 내의 원자 사이를 매우 쉽게 이동하지는 않습니다.
물질 내에서 전자의 상대적 이동성을 전기 전도도 라고 합니다 . 전도도는 물질 내의 원자 유형(각 원자핵의 양성자 수가 화학적 정체성을 결정함)과 원자가 서로 어떻게 연결되어 있는지에 따라 결정됩니다. 높은 전자 이동성(많은 자유 전자)을 가진 물질은 도체 라고 하고, 낮은 전자 이동성(자유 전자가 적거나 없음)을 가진 물질은 절연체 라고 합니다 . 다음은 도체와 절연체의 몇 가지 일반적인 예입니다.
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모든 전도성 재료가 동일한 수준의 전도성을 갖는 것은 아니며, 모든 절연체가 전자 운동에 대해 동일하게 저항하는 것은 아니라는 점을 이해해야 합니다. 전기 전도성은 특정 재료가 빛에 투명하게 보이는 것과 유사합니다. 빛을 쉽게 "전도"하는 재료는 "투명"이라고 하고, 빛을 쉽게 "전도"하지 않는 재료는 "불투명"이라고 합니다. 그러나 모든 투명한 재료가 빛에 대해 동일하게 전도성이 있는 것은 아닙니다. 창문 유리는 대부분의 플라스틱보다 더 좋고, "투명한" 유리 섬유보다 확실히 더 좋습니다. 전기 전도체도 마찬가지입니다. 일부는 다른 것보다 더 좋습니다.
예를 들어, 은은 "전도체" 목록에서 가장 좋은 도체로, 언급된 다른 모든 재료보다 전자가 더 쉽게 통과할 수 있습니다. 더러운 물과 콘크리트도 도체로 나열되어 있지만, 이러한 재료는 모든 금속보다 훨씬 덜 전도성이 있습니다.
또한 일부 재료는 다른 조건에서 전기적 특성이 변한다는 것을 이해해야 합니다. 예를 들어 유리는 실온에서 매우 좋은 절연체이지만 매우 높은 온도로 가열하면 도체가 됩니다. 공기와 같은 가스는 일반적으로 절연체이지만 매우 높은 온도로 가열하면 전도성이 됩니다. 대부분의 금속은 가열하면 더 나쁜 도체가 되고 냉각하면 더 좋은 도체가 됩니다. 많은 전도성 재료는 매우 낮은 온도에서 완벽한 전도성( 초전도성 이라고 함)이 됩니다.
전자 흐름 / 전류
도체에서 "자유" 전자의 일반적인 움직임은 특정 방향이나 속도가 없는 무작위적인 반면, 전자는 전도성 물질을 통해 조정된 방식으로 움직이도록 영향을 받을 수 있습니다. 전자의 이러한 균일한 움직임을 우리는 전기 또는 전류 라고 부릅니다 . 더 정확하게 말해서, 정전기 와 대조적으로 동적 전기 라고 부를 수 있는데 , 정전기는 전하의 움직이지 않는 축적입니다. 파이프의 빈 공간을 흐르는 물과 마찬가지로 전자는 도체의 원자 내부와 사이의 빈 공간에서 움직일 수 있습니다. 도체는 우리 눈에는 단단해 보일 수 있지만 원자로 구성된 모든 물질은 대부분 빈 공간입니다! 액체 흐름 비유는 너무나 적합해서 도체를 통한 전자의 움직임을 종종 "흐름"이라고 합니다.
여기서 주목할 만한 관찰이 있을 수 있습니다. 각 전자가 도체를 통해 균일하게 이동하면서, 그 앞에 있는 전자를 밀어내어 모든 전자가 그룹으로 함께 이동합니다. 도체 경로의 길이를 통한 전자 흐름 의 시작과 중지는 각 전자의 움직임이 매우 느릴 수 있지만, 도체의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 사실상 즉각적입니다. 대략적인 비유는 구슬로 끝에서 끝까지 채워진 튜브와 같습니다.
튜브는 구슬로 가득 차 있고, 도체는 외부 영향에 의해 움직일 준비가 된 자유 전자로 가득 차 있습니다. 만약 하나의 구슬이 갑자기 왼쪽에 있는 이 가득 찬 튜브에 삽입되면, 다른 구슬이 즉시 오른쪽에 있는 튜브에서 빠져나가려고 할 것입니다. 각 구슬이 짧은 거리만 이동했지만, 튜브를 통한 운동의 전달은 튜브가 아무리 길더라도 왼쪽 끝에서 오른쪽 끝으로 사실상 즉각적입니다. 전기의 경우, 도체의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지의 전체적인 효과는 빛의 속도로 발생합니다. 초당 186,000마일이라는 빠른 속도입니다!!! 그러나 각 개별 전자는 훨씬 느린 속도로 도체를 통과합니다.
와이어를 통한 전자 흐름
전자가 특정 방향으로 특정 장소로 흐르게 하려면, 배관공이 물을 원하는 곳으로 흐르게 하기 위해 파이프를 설치해야 하는 것처럼, 전자가 이동할 수 있는 적절한 경로를 제공해야 합니다. 이를 용이하게 하기 위해, 전선은 다양한 크기의 구리나 알루미늄과 같은 고전도성 금속으로 만들어집니다.
전자는 물질의 원자 사이 공간에서 움직일 기회가 있을 때만 흐를 수 있다는 것을 기억하세요. 즉, 전자가 이동할 수 있는 통로를 제공하는 전도성 물질의 연속적인 경로가 있는 경우 에만 전류가 흐를 수 있습니다 . 구슬 비유에서 구슬은 튜브의 왼쪽으로(그리고 결과적으로 튜브를 통해) 흐를 수 있는데, 이는 튜브가 오른쪽에서 구슬이 흘러나올 수 있도록 열려 있어야만 가능합니다. 튜브의 오른쪽이 막혀 있으면 구슬은 튜브 내부에 "쌓일" 뿐이고 구슬 "흐름"은 발생하지 않습니다. 전류에도 동일하게 적용됩니다. 전자의 연속적인 흐름은 그 흐름을 허용하는 끊어지지 않은 경로가 있어야 합니다. 이것이 어떻게 작동하는지 설명하는 다이어그램을 살펴보겠습니다.
위에 표시된 것처럼 얇고 실선은 연속된 와이어 조각에 대한 일반적인 기호입니다. 와이어는 구리와 같은 전도성 재료로 만들어졌기 때문에 구성 원자에는 와이어를 통해 쉽게 이동할 수 있는 많은 자유 전자가 있습니다. 그러나 전자가 나올 곳과 갈 곳이 없다면 이 와이어 내에서 전자의 연속적이거나 균일한 흐름은 결코 없을 것입니다. 가상의 전자 "소스"와 "목적지"를 추가해 보겠습니다.
이제 전자원이 왼쪽에 있는 와이어에 새로운 전자를 밀어넣으면 와이어를 통한 전자 흐름이 발생할 수 있습니다(왼쪽에서 오른쪽을 가리키는 화살표로 표시). 그러나 와이어에 의해 형성된 전도 경로가 끊어지면 흐름이 중단됩니다.
전기 연속성
공기는 절연체이고, 공기 갭이 두 개의 와이어 조각을 분리하기 때문에, 한때 연속적이었던 경로가 이제 끊어졌고 전자는 소스에서 목적지로 흐를 수 없습니다. 이것은 물 파이프를 둘로 자르고 파이프의 끊어진 끝을 막는 것과 같습니다. 파이프에서 출구가 없으면 물이 흐를 수 없습니다. 전기적 용어로, 와이어가 한 조각일 때는 전기적 연속성 의 조건이 있었고 , 이제 그 연속성은 와이어가 절단되고 분리되면서 끊어졌습니다.
목적지로 이어지는 또 다른 전선을 가져와서 소스로 이어지는 전선과 물리적으로 접촉한다면, 우리는 다시 한번 전자가 흐를 수 있는 연속적인 경로를 갖게 될 것입니다. 다이어그램의 두 점은 전선 조각 사이의 물리적(금속 대 금속) 접촉을 나타냅니다.
이제 우리는 소스에서 새로 만든 연결, 아래로, 오른쪽으로, 위로 목적지까지 연속성을 갖게 되었습니다. 이것은 막힌 파이프 중 하나에 "티" 피팅을 넣고 새로운 파이프 구간을 통해 물을 목적지로 보내는 것과 유사합니다. 오른쪽에 있는 끊어진 전선 구간에는 더 이상 소스에서 목적지까지의 완전한 경로의 일부가 아니기 때문에 전자가 흐르지 않는다는 점에 유의하세요.
흥미로운 점은 이 전류로 인해 전선 내부에 "마모"가 발생하지 않는다는 것입니다. 물을 운반하는 파이프는 결국 장기간의 흐름으로 인해 부식되고 마모됩니다. 그러나 전자는 움직일 때 어느 정도 마찰을 겪으며, 이 마찰은 도체에 열을 생성할 수 있습니다. 이는 나중에 훨씬 더 자세히 살펴볼 주제입니다.
검토:
- 전도성 물질 에서 각 원자의 최외각 전자는 쉽게 오고 갈 수 있으며, 이를 자유 전자 라고 합니다 .
- 절연 물질 에서는 최외각 전자가 그다지 자유롭게 움직일 수 없습니다.
- 모든 금속은 전기 전도성이 있습니다.
- 동적 전기 또는 전류는 도체를 통한 전자의 균일한 운동입니다.
- 정전기는 움직이지 않는(절연체에 있는 경우) 물체의 전자가 과도하거나 부족하여 형성된 축적된 전하입니다. 일반적으로 접촉과 이종 재료의 분리에 의한 전하 분리로 형성됩니다.
- 전자가 도체를 통해 연속적으로(무한정적으로) 흐르려면 전자가 도체로 들어가고 나올 수 있는 완전하고 끊어지지 않은 경로가 있어야 합니다.