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전도체
전도체(電導體, electrical conductor)는 전도도가 높아서 전기가 통하기 쉬운 재료를 말한다. 전기전도체라고도 부른다. 전도체는 도체(導體)의 일종이다. 물리학과 전기공학에서 전도체는 전류를 한 방향 또는 여러 방향으로 흐르게 해주는 물질의 한 종류이다. 예를 들어, 전선은 전기를 도선을 따라 길게 흐르게 해주는 전기적 도체인 셈이다. 구리나 알루미늄과 같은 금속에서 유동성의 대전된 입자를 전자라고 한다. 양전하는 또한 배터리의 전해질 양이온 또는 연료전지의 양이온과 같이 유동적이다. 인슐레이터는 많지 않은 유동성의 전하들을 가진 부도체로 적은 전류의 흐름을 지지할 뿐이다.
도전율은 물질에 의해서 결정되는 세기 변수(intensive variable)로, 금속에서 세라믹까지 20 자리의 차이가 난다. 일반적으로 도전율이 흑연의 도전율(10⁶S/m) 이상인 것을 도체, 10⁻⁶S/m 이하인 것을 절연체, 그 중간의 값을 가지는 것을 반도체라고 한다. 예를 들어, 10⁶S/m라고 하는 도전율은 1mm²의 단면적에 1m 도체 저항이 1Ω이 되도록 전기가 통하는 것을 말한다.
목차
개요
전도체(electrical conductor)는 전기를 잘 통하는 물질을 뜻하며, 물질이 전기를 전달하는 능력을 전기 전도성(또는 전도율)(electrical conductivity)이라고 한다. 철과 구리 같은 대부분의 금속(metal)은 전도체로서 전류를 전달하는 전선 등을 만드는 데 쓰인다. 일부는 반도체(semi-conductor)이며, 그 이름에서 알 수 있듯이 전기가 흐를 수는 있지만 그다지 좋은 전도성을 나타내지 않는다. 또한 일부 물질은 전기가 흐르는 것이 매우 어려워 저항기(resistor)로 작용한다. 전류의 흐름을 차단하는 물질을 절연체(insulator)라고 하며, 전선의 외부 피복으로 사용되는 플라스틱이 절연체로서 전기가 외부로 빠져나가지 못하게 하고, 외부의 감전도 방지한다. 매우 낮은 온도에서 몇몇 물질은 전기저항이 전혀 없는 초전도체(super-conductor) 특성을 나타내기도 한다.
전류와 저항
전류는 음전하를 띤 전자(electron), 양전하를 띤 정공(hole) 및 양이온(cation) 또는 음이온(anion) 등과 같은 전하 운반체(charge carrier)가 특정 물질 내에서 흐름으로써 생성된다. 금속에서는 전자가 주요 전하 운반체로 사용되나 전지의 양이온성 전해질(electrolyte) 또는 연료 전지의 양성자와 같이 양전하 운반체가 사용될 수도 있다. 전도체에 전류가 흐를 때 저항은 전도체 물질의 고유한 특성과 치수(dimension)에 따라 달라진다. 일반적으로 주어진 물질의 저항은 단면적에 반비례하며 길이에 비례한다. 예를 들어 두꺼운 구리 전선은 얇은 전선보다 저항이 낮으며, 긴 구리 전선은 동일한 두께의 짧은 구리 전선보다 저항이 높다.
전도체의 특징
전도체의 성질은 대체로 5가지로 나뉜다.
- 전도체 내부에는 자유전자가 많아 전하를 잘 이동시킨다.
- 전도체 내부의 전기장은 0이다.
- 전도체에 과잉전하를 주면 표면에만 분포하며 뾰족한 곳에 많이 분포한다.
- 전도체 표면, 내부는 모두 등전위면을 이룬다.
- 전기력선은 전도체 표면에 수직이다.
금속의 전도 특성
금속은 특징적인 광택이 있고, 전기 및 열전성이 우수하며, 펴지는 성질이 있는데 이 모든 성질은 공통으로 '전자 바다(sea of electron)'라고 불리는 금속 결합(metallic bond)의 특성에서 비롯된다. 금속의 광택과 전기 전도성은 입사 광선의 진동 전기장이나 전위차에 의한 전자들의 이동에 기인하며, 높은 열전도도(thermal conductivity) 역시 전자 이동의 결과로 진동 원자와 충돌하여 에너지를 흡수하고 이것을 다른 원자로 전달할 수 있기 때문에 나타나는 현상이다. 금속의 용이한 역학적 변형도 전자 이동에 의해 나타나는 특성 중 하나로, 고체가 변형될 때 전자 바다가 빠르게 재조정되어 금속을 이루는 원자들을 서로 묶을 수 있기 때문이다. 반도체 역시 전기 전도성을 지니는데 금속과 반도체를 구분하는 기준은 전기 전도성의 온도 의존성이다. 금속성 전도체는 온도 증가에 따라서 전기 전도성이 감소하나, 반도체는 온도가 증가함에 따라 전기 전도성이 증가한다. 초전도체의 경우 임계 온도(critical temperature, Tc) 이하의 온도에서 저항이 없는 특별한 경우의 물질이다.
전도체의 전류 용량
전도체의 전류 용량 즉, 전류를 흐를 수 있게 해주는 양은 그것의 전기적 저항과 관련이 있다. 저항이 작은 전도체는 많은 양의 전류를 흐를 수 있게 해준다. 결과적으로 전기저항은 전도체를 만드는 물질과 전도체의 크기에 의해 결정되는 것이다. 전도체를 만드는 물질에서 전도체의 단면적이 더 넓으면 단면적 좁은 전도체보다 더 적은 전기저항을 갖게 된다. 전도체에서 극한의 한계온도는 전기저항에 의한 전력이 전도체를 녹게 만드는 지점에 있다. 하지만 퓨즈를 제외한 대부분의 전도체는 실제로 이러한 제한온도가 훨씬 아래에서 일어난다. 예를 들어 가정의 전선은 약 60도까지 작동되는 PVC 절연체로 절연 처리가 되어 있다. 그래서 이런 전선의 전류는 제한되어 있기 때문에 화재의 위험을 야기하면서 구리 전도체를 60도까지 가열시키는 일은 절대 없다. 하지만 그 외에, 더 비싼 테플론(프라이팬에 음식이 눌러 붙지 않게 칠하는 것) 또는 섬유유리와 같은 절연체는 훨씬 더 높은 온도에서도 작동될 것이다.
전도도
도체에 의한 저항은 재료의 종류와 단면적에 의해 결정된다. 물질에서 저항은 면적에 반비례한다. 예를 들어 두꺼운 구리 전선은 같은 종류의 얇은 구리전선 보다 더 적은 저항을 받는다. 또한 받은 물질에서 저항은 길이에 비례한다. 예를 들어 긴 구리전선은 같은 종류의 짧은 구리 전선보다 더 큰 저항을 가진다. 그러므로 균일한 단면적의 도체의 저항 R과 전도도 G는 계산
로서 계산될 수 있다. 여기서 l은 미터로 측정되는 도체의 길이 이고 A는 제곱미터로 측정되는 도체의 단면적이다. σ는 1미터당 지멘스로 측정되는 도전율이고 ρ는 미터 옴으로 측정되는 물질의 저항률이다. 저항률과 도전율은 연속적으로 비례하므로 도선이 만들어진 물질로만 결정되고 선의 기하학적 구조로는 결정되지 않는다. 저항률과 도전율은 역수관계이다: (ρ=1/σ). 저항률은 전류와 반대되게 측정되는 물질의 성질이다. 이 수식은 도체 내의 전류밀도가 모두 일정하다고 가정하고 있기 때문에 항상 실제상황에 부합하지는 않는다. 그러나 이 공식은 도선같은 긴 전도체에서는 거의 근사치를 보여준다.
이 공식이 일치하지 않는 다른 상황은 교류전류가 흐를 때 인데, 표피효과가 도체 중심 주변부의 전류의 흐름을 방해하기 때문이다. 그래서 기하학적 단면과 효율적 단면이 달라져서, 저항이 기댓값 보다 높아진다. 이와 유사하게 두 개의 전도체가 교류를 가지고 가까이 있으면 근접효과로 저항값이 증가하게 된다. 상용되는 전력교류주파수에서는 이 효과가 전력변전소의 부스바(busbar) 또는 수백 암페어 이상의 고전력 케이블 등과 같이 높은 전류를 운반하는 큰 도체들 사이에서 크게 나타난다.
등방성
만약 전기장이 물질에 적용되고 그 결과 유도된 전류가 같은 방향으로 흐르게 되면 물질은 등방성의 전기전도체(isotropy electrical conductor)로 불린다. 반면에, 전류가 적용된 전기장으로부터 다른 방향을 가진다면 그 물질은 이방성의 전기전도체(anisotropic electrical conductor)라 한다.
전도체의 전압
전도체의 전압은 "V"로 표시하며 이는 다음과 같다.
V = IR
여기서
I는 암페어 단위의 전류를 말한다.
V는 볼트 단위의 전압차를 말한다.
R은 옴 단위의 전기저항을 말한다.
전도체의 종류
전도체에는 금속, 전해질, 초전도체, 반도체, 플라스마(plasma) 및 흑연과 전도성 고분자(conductive polymer)와 같은 일부 비금속 도체가 있다.
구리는 전도성이 높은 금속으로 다른 전도체의 전도성을 상대 비교하는 국제 표준으로 사용된다. 이 표준을 국제 연동표준(International Annealed Copper Standard, IACS)이라고 하는데, 상온에서 가공한 구리선을 약 600℃의 가열로에서 열처리하여 서서히 식혀 만든 연동(annealed copper)의 20℃에서의 전도율 58 MS/m를 100% IACS로 정하고 다른 전도체의 전도성을 상대 비교하기 위해 % IACS 단위로 나타낸다.
은(Ag)은 구리보다 약 6% 전도성이 더 높지만, 경제적인 이유로 실용적이지 않아, 인공위성과 같이 높은 전도성이 필요한 특수 장비에 한정적으로 사용된다.
알루미늄(Al)은 전력 전송(electric power transmission)과 배전(electric power distribution) 분야에서 점차 기존의 구리를 대체하고 있는 금속으로써, 단면적이 같은 구리선에 비해 전도율이 61% 정도에 불과하나 밀도가 구리보다 낮아 질량당 전도성이 구리의 두 배가 된다. 또한 알루미늄의 무게당 가격이 구리의 약 3분의 1에 불과하기 때문에 대량의 도체가 필요할 때 상당한 경제적 이점을 갖는다. 알루미늄 배선의 단점으로는 구리보다 기계적 및 화학적 안정성이 낮다는 점으로, 연결부위에 쉽게 절연성 산화물을 형성하여 저항을 증가시킬 수 있고 황동 재료보다 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion)가 커서 연결이 느슨해질 수 있다.
알루미늄 와이어는 구리 전도성의 61%를 가지고 있는데, 낮은 가격 때문에 빌딩와이어에 자주 쓴다. 질량에 비해 구리보다 더 높은 전도성을 가지는데, 알루미늄의 성질이 빌딩와이어로 쓰일 때 문제를 일으킨다. 알루미늄은 연결부위에 열을 일으키는 산화물을 형성한다. 또 열이 과부화 되면, 장치연결을 느슨하게 하면서 모양이 변형될 수 있다. 또 연결면의 다른 물질들과 다른 열팽창계수를 가지고 있어서, 연결을 느슨하게 하는데 가속을 가한다. 하지만 이런 효과들은 배선알루미늄 제품으로 사용이 승인된 장치를 사용하여 피할 수 있다.
파묻힌 케이블이나 가공인입선에 사용될 때 낮은 전압을 요구하는 알루미늄 도선은 연결부위에 열 발생을 막기 위해 호환가능한 연결체와의 설비를 필요로 한다. 알루미늄은 구조적 보강철과 결합하여 고전압 송전선에 쓰이는 가장 흔한 금속이다. 양극화된 알루미늄 표면은 전도적이지 않고 이 점은 외장장치 디자인이 전기적으로 연결되게 하면서 외장장치 디자인에 영향을 준다.
9개의 탄소와 18개의 수소원자로 이루어진 옥테인 같은 구조적 복합체는 전기적 성질을 띄지 못한다. 기름은 탄화수소이고, 탄소의 4원자결합을 가져서 전자쌍을 다른 수소 같은 원소들과 공유하면서, 전자를 잃거나 얻지 않게 되었고, 이온을 형성하지 않게 되었다. 전자쌍을 공유하는 결합은 단순히 전자를 공유하는 것이므로 전류가 흘러지나갔을 때 이온의 분리가 일어나지 않는다. 그러므로 오일이나 다른 유기적결합체 같은 액체는 전기적 성질을 띌수 없다.
순수한 물(증류수)는 전도체가 아닌 반면에, 소금 같은 전해질이 아주 조금이라도 첨가되면 즉시 전도체로 바뀐다.
전선 크기
전선은 그것의 단면도에 의해 측정된다. 많은 나라에서 제곱 밀리미터로 표현된다. 북아메리카에서 전도체는 더 작은 것을 위한 와이어 게이지, 그리고 더 큰 것을 위한 원주밀에 의해 측정된다.
참고자료
같이 보기
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