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
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
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
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.
참고자료
같이 보기
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