전기란 무엇인가?

전기는 범용성이 높고 수송이 간단

전압 높을 수록 전류 흐르는 작용 증가

전기의 흐름은 전자의 이동

전기를 100% 가정으로 수송할 시 감전의 위험

[객원 에디터 4기 / 김민주 기자] 현대 문명의 시작이 된 전기는 현재 인류에게 없어서는 안 될 존재이다. 전기의 본격적인 이용이 시작된 19세기 말 이후부터이다. 과거에 다른 에너지를 사용해 온 장치나 기계가 범용성이 높고 전선만 연결하면 목표하는 곳으로 간단히 보낼 수 있는 전기로 바뀌었다. 현대인들에게 전기란 언제, 어디서든지 사용할 수 있는 당연한 존재로 여기고 있다. 그러나 원자력 발전소의 위험성, 화력 발전의 동력원인 화석연료의 고갈 가능성, 지구 온난화 촉발 등의 문제가 인류에게 에너지는 언제나 풍요롭지만은 않다는 메시지를 보내고 있다. 장래에는 다른 방법으로 공급되는 전력이나 에너지의 비율을 높여 나가야 한다는 점만은 분명하다. 전력과 에너지의 문제를 생각하기 위해서는 먼저 전기에 대한 기본적인 지식이 필요하다. 

전기의 기초가 되는 전류와 전압을 이해하기 위해서는 물을 예로 들면 된다. 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다. 전압과 전류의 관계도 마찬가지로 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳을 향해 흐른다. 단, 높낮이라고 해도 물의 경우와 같은 표고의 높낮이는 아니고 전기가 흐르는 방향을 정하는 것은 ‘전위’의 높이이다. 전기는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳을 향해 흐르는 성질이 있는데 전위의 차를 ‘전위차’ 또는 전압이라고 부르는 것이다. 따라서 전압이 높을수록 전류를 흐르게 하려는 작용은 강해진다.

전류는 전기의 흐름이라고 쉽게 설명할 수 있지만 정확히 전기의 흐름이라는 것은 무엇일까? 금속 내부를 흐르는 전류의 정체는 ‘전자’의 이동이다. 전자는 음전기를 띠고 있는데, 전자가 금속 내부를 이동하는 것을 전류라고 부른다. 금속의 내부는 아래의 그림처럼 금속 원자끼리 질서 있게 늘어선 구조로 되어있다. 단, 일부 전자는 원자에서 튀어나와 금속 내부를 자유자재로 움직이는데 이를 자유전자라고 부른다. 전류가 흐르지 않을 경우 자유전자들은 제각각의 방향으로 움직이고 있는데, 전체적인 전자의 이동은 0이 된다. 한편 자유전자가 이동하는 방향이 일정한 경우 전체적으로 전자의 흐름이 생겨, 전류가 흐르는 상태가 된다.

전기에는 교류와 직류가 있다. 예를 들어 전지에서 흐르는 전기는 직류지만, 발전소에서 각 가정으로 보내는 전류는 교류이다. 교류는 시간의 흐름과 함께 전류의 방향이 주기적으로 변하는 전류이다. 전류의 방향이 시시각각 변하는 교류와는 반대로 직류의 방향은 방향뿐만 아니라 전류의 크기도 변하지 않고 일정하다.

다음 개념으로는 전기를 생산하는 것 못지않게 중요한 송전이다. 전력은 전류의 값과 전압의 값을 곱한 수치로 정해진다. 전기 제품을 이용하기 위해서는 발전소에서 전력이 송전(수송) 되어야 하는데 송전할 때는 전력의 일부가 열로 바뀌어 사라진다. 생산된 전기가 사용 지점에 이르는 동안 사라지는 전력을 손실 전력이라고 부른다. 그런데 전력 수치는 전압과 전류를 곱한 것이기에 같은 양의 전력을 송전하는 경우, 전압을 내려 전류를 크게 하거나 전압을 올려 전류를 작게 할 수 있다.

한편 송전선이 같다면 열로 사라지는 전력의 크기는 전류가 2배가 되면 4배로, 3배가 되면 9배로 즉 전류 크기의 제곱에 비례해서 커진다. 결국 송전 때의 손실을 적게 하기 위해서는 전류의 값을 될 수 있는 대로 작게 하는 쪽이 유리하다. 그러나 생산된 전력을 100% 그대로 가정 등에서 사용하게 된다면 감전의 위험성이 높아진다. 그렇기에 사용하기 직전 전압을 내리는 방식이 이상적이다. 이를 위하여 전압을 자유롭게 바꾸는 변압이 필수적이다. 직류보다 교류의 전압을 바꾸기 쉽게 때문에 현재의 전력은 대부분 교류로 송전된다. 

전기는 범용성이 높고 수송도 간단한 건 사실이지만 사실 치명적인 결점이 있는데 바로 전력이 전류의 형태로 저장되지 못한다는 점이다. 우리는 일반적으로 전지를 이용하는데 전지는 전력을 저장한다고 생각하기 쉽지만 실제로 전지 안에서 화학적인 에너지를 바탕으로 생산되는 것이지 전력을 저장하는 것은 아니다. 전류의 실체는 자유전자의 이동인데, 금속 원자의 열진동의 영향을 받아 자유롭게 이동하지 못한다. 그래서 전자가 이동하는 에너지의 일부가 열로 변하게 되는데, 결과적으로 전력을 잃게 된다. 이는 불가피한 현상으로 결국 전력은 전류가 흐르고 있는 한 반드시 사라져 간다.