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기전력
기전력(electromotive force, electromotance, 起電力)은 역학적 에너지(또는 화학변화의 에너지)에 의해서 어떤 전위차를 만들어내는 것 같은 전원(電源)의 작용을 말한다. 주로, 전문서적이나 원서의 경우 대문자가 아닌 소문자 영문약어인 emf로 표기하는 경우가 많다. 외부에 전류가 흐르지 않을 때는 이 전위차에 의한 전기장(電氣場)이 전원의 기능을 멈춘다. 이 때의 전위차가 기전력이다. 외부로 전류를 흘려 보내면 전기장이 약화되고 전원이 작용을 함으로써 일정한 전위차가 유지된다. 즉, 도체 양끝에서 일정한 전위차를 계속 유지시킬 수 있는 능력을 기전력이라 한다.
수식에서 기전력을 ε로 표기한다. 내부저항이 없는 소자에서 전하 Q가 소자를 통과하면서 W의 에너지를 얻게 된다. 이를 수식으로 나타내면 에너지 당 단위 전하의 양, ε=W/Q으로 정의한다.
개요[편집]
기전력은 단위전하 당 한 일이다. 간단히 말해 낮은 퍼텐셜에서 높은 퍼텐셜로 단위전하를 이동시키는 데 필요한 일이다. 기전력의 SI 단위는 J/C이며 볼트와 같다.
기전력은 전위차와 마찬가지로 볼트(V)라는 단위로 측정한다. 전지, 발전기 등은 다른 형태의 에너지를 전기에너지로 바꿈으로써 지속적으로 기전력을 얻을 수 있도록 고안되어 있으며, 회로를 열었을 때의 단자(端子) 사이의 전위차로 정의한다.
기전력장치에는 이상적인 기전력장치와 실제 기전력장치가 있다. 이상적인 기전력 장치란 내부저항이 없는 장치이다. 이 경우에 기전력장치의 양끝 사이의 퍼텐셜차가 기전력이다. 예를 들면, 기전력이 1.5V인 전지의 양끝에는 1.5V의 퍼텐셜차가 있다.
전지와 같은 실제 기전력장치에는 내부저항이 존재한다. 기전력장치가 회로에 연결되어 있지 않을 때는 전하의 흐름이 없으므로 양끝의 퍼텐셜차는 기전력과 같다. 그러나 전류가 흐르게 되면 양끝의 퍼텐셜차가 기전력과 달라진다.
오른쪽 그림은 내부저항 r이 있는 실제 전지가 저항 R에 연결된 경우이다. 만약 내부 저항 r이 없으면 아래 그림의 장치는 이상적인 기전력장치가 된다. 내부저항 r이 2옴, 기전력이 12V, 외부저항 R이 4옴이면 전지에서 실제 출력되는 기전력은 8V가 된다. 실제 기전력은 내부저항 r에 의해 약간 줄어든 형태로 나온다. 이는 우리가 사용하는 모든 전지에서 같다. 1.5V 전지를 양끝에서 측정해보면 1.5V보다 낮은 전압이 측정된다.
도체(導體)의 내부에 전위차(電位差)를 생기게 해서, 그 사이에 전하(電荷)를 이동시켜 전류를 통하게 하는 원동력이 되는 것을 말한다. 열전기 더미의 열기전력, 전지의 화학적 기전력, 광전지(光電池)의 광기전력, 발전기의 전자기유도에 의한 기전력 등이 있다.
역사[편집]
기전력은 1830년대에 마이클 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)가 볼타전지 내에서 전극과 전해질 사이의 계면에서 생성되며 계면에서 발생하는 반응이 전류를 유도한다는 가정을 확립하며 정의되었다. 마이클 패러데이가 발표하기 이전에 알레산드로 볼타(Alessandro Volta, 1745-1827) 가 먼저 금속과 금속 (전극과 전극) 사이의 계면에서 접촉 전위차를 측정하며 이것이 기전력이라고 주장했지만 화학반응이 고려되지 않았기 때문에 마이클 페러데이의 주장이 기전력의 정의로 확립되었다.
정의[편집]
개회로인 기전력 출력원 안에서 전하의 분리에 의해 생기는 보존적인 전기장은 정확히 기전력에 의해 생기는 힘을 상쇄한다. 따라서, 기전력은 전하의 분리에 의해 생기는 보존적인 전기장을 개회로 A에서 B까지 적분한 값과 반대의 부호를 가지고 있다. 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같다.
이때 Ecs는 전하의 분리 의해 생기는 보존적인 전기장이며, dℓ은 A에서 B로 가는 경로의 미소성분이고, '⋅'는 벡터 내적을 뜻한다.
폐경로 주변의 자기장이 변하는 경우, 전기장에 대한 폐경로 적분이 값을 가질 수 있다. 이에 대한 보편적인 응용 중 하나로 회로 주변의 자석이 움직여서 생기는 "유도 기전력"이 있다. 정적인 폐경로 C에서 생긴 유도 기전력은 다음과 같다.
이때 E는 전기장이며, 정적인 임의의 적분 폐경로 C 위에는 변하는 자기장이 있다. 정전기장은 보존장이기 때문에 정전기장에 의한 성분은 전체 기전력에 영향을 주지 못한다. 이는 폐경로에서 정전기장에 의해 이루어진 총 일이 0이라는 키르히호프의 전압 법칙과도 연결된다.
이 정의는 동적인 폐경로 C에 대해 일반화할 수 있다.
이때 v는 폐경로에서 각 미소성분의 속도다.
기전력에 의한 전기에너지 발생 과정[편집]
- 발전기 : 패러데이의 '전자기 유도' 원리에 의해 자석의 자기에너지는 역학적인 과정을 거쳐 전기에너지로 전환된다. 자기장과 전기장의 순환운동의 원리는 빛(광자)의 운동 원리이다. 특히 전자기유도에 의해 발생하는 전압을 '유도기전력'이라고 한다. 유도기전력은 코일을 지나는 단위 시간 당 자속변화율과 코일의 감은 횟수에 비례한다.
- 건전지 : 산화와 환원의 '화학반응'을 통해 전기에너지가 발생한다. 건전지의 + 극은 이온화 경향이 작아 전자를 잘 얻는 환원반응으로 주로 탄소(또는 이산화망가니즈)를 사용하고, - 극은 이온화 경향이 커서 전자를 잘 잃는 산화반응으로 아연을 주로 사용한다. 원소들도 이렇게 각각 음(-)과 양(+)의 특성을 가지는 체질로 이루어져, 이러한 특성은 음(陰)과 양(陽)의 위상차를 주어 전기에너지를 발생시킨다.
- 알카라인건전지 반응식(+와 -의 1.5V 위상차)
- 음극 : Zn(s) + 2OH⁻(aq) → ZnO(s) + H₂O(l) + 2e⁻ [e° = 1.28 V]
- 양극 : 2MnO₂(s) + H₂O(l) + 2e⁻ → Mn₂O₃(s) + 2OH⁻(aq) [e° = +0.15 V]
- 전체 : Zn(s) + 2MnO₂(s) ⇌ ZnO(s) + Mn₂O₃(s) [e° = 1.43 V]
- 망가니즈 건전지와 알카라인 건전지는 전해액 성분의 차이가 있을 뿐, 음극물질에 아연, 양극물질에 이산화망가니즈를 사용하는 것은 같다.
- 태양전지 : 태양의 '빛 에너지(광전효과)'를 통해 전기에너지를 생산한다. p형반도체와 n형반도체가 있는데, 태양 빛을 비추면 전자(-)와 양공(+)이 각각 p형반도체와 n형반도체에 의해 분리되어 각자의 전극으로 이동하면서 이러한 음(-)과 양(+)의 위상차(기전력)로 인해 전기에너지가 발생한다.
- 열전대(Thermocouple) : '온도 차'에 의해서도 기전력이 발생된다(이때 열기전력). 열전효과 또는 제벡효과라고도 하는데(열에너지가 전기에너지로 전환), 서로 다른 두 금속선의 양쪽 끝을 접합하여 폐회로를 구성하고, 한 접점에 열을 가하게 되면 두 접점에 온도차로 인하여 전위차가 발생하여 전류가 흐르게 된다. 전류가 흐르면서 열도 같이 이동하게 되는데, 만약 같은 금속을 이용하게 되면 전류는 흐르지 않지만, 톰슨효과에 의해 금속의 종류에 따라 흡열 또는 발열을 하게 된다. 열전(thermoelectric)효과라고 불리 우는 이유도 열과 전기의 밀접한 상관관 계 때문이다.
위와 같은 방법 등으로 기전력을 일으킬 수 있다. 이때 발전기는 교류가 발생하고, 건전지에서는 직류가 발생한다.
온도에 의해 음(-)과 양(+)의 위상차가 커진다는 것은, 온도에 의해 음양체질(陰陽體質)이 바뀔수 있다는 것이다. 이것은 반물질(-)을 아주 차갑게 냉각시켜 물질(+)화 시키는 것과 다르지 않다(냉양자,양자트랩).
그렇다면 중력(gravity)에 의해서도 전기에너지가 발생할 수 있을까?
수력발전은 물의 퍼텐셜에너지(위치에너지)를 이용하여 전기에너지를 생산한다. 그리고 화력발전과 원자력발전도 화학반응과 핵반응을 이용하여 전기에너지를 생산한다. 하지만 이러한 발전 방법은 터빈을 돌리는 것으로 전자기유도(발전기)를 이용한 것이다. 따라서 직접적인 전기에너지 발생 방식이 아니다. 따라서 자연적으로 기전력(起電力)을 직접적으로 일으키기 위해서는 음(陰)과 양(陽)의 위상차가 단발성이 아니라 지속적으로 교류해야 한다(핵분열을 통해 기전력이 발생할 수는 있으나 완전한 것은 아님).
직류(DC)는 높은 전압을 생성할 수 없으므로, 교류(AC)처럼 음(陰,-)과 양(陽,+)의 위상차가 뚜렷할 때 높은 기전력을 일으킬 수 있다. 이때 전기장과 자기장이 형성되므로 전자와 빛은 서로 음양순환(循環)의 원리에 따라 서로 다르면서도 또한 서로 같은 존재로 남아서 순환대칭(soonhwan symmetry)을 이룬다.
순환대칭을 통해 음(陰,-)과 양(陽,+)의 대칭성(symmetry)은 깨지고 다시 생성되기를 반복을 하는데, 전기력은 음(-)과 양(+)의 대칭성이 깨져서 위상차가 나타날때 가장 강하고, 자기력은 음(-)과 양(+)의 대칭성이 생성되어 위상차가 없을때 가장 강하다. 따라서 전기력은 단극(monopole)이지만, 자기력에서 단극은 있을 수 없다. 다만 전기력(+,-)과 자기력(0,중성)은 상호 순환하는 하나의 시스템(rotation system)일 뿐이다.[1]
각주[편집]
- ↑ applepop, 〈기전력(electromotive force)의 원리와 한국과학철학〉, 《네이버 블로그》, 2016-04-07
참고자료[편집]
같이 보기[편집]
