전기와 자기

앞에서

먼저 알 것 · 중2 · 물질의 구성원자의 구조원자는 (+)전하를 띤 원자핵과 그 둘레를 움직이는 (−)전하를 띤 전자로 되어 있어요. 원자핵의 (+)전하량과 전자 전체의 (−)전하량이 같아서 원자는 전기를 띠지 않아요(중성).

→

중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 전기와 자기마찰 전기와 정전기 유도

→

다음에

같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학 · 전기력마찰 전기와 정전기 유도두 전하 사이의 전기력은 전하량이 클수록 세고 거리의 제곱에 반비례해요(쿨롱 법칙).

물질을 이루는 원자는 (+)전하를 띤 원자핵과 그 둘레를 움직이는 (−)전하를 띤 전자로 되어 있어요. 보통의 물체는 (+)전하와 (−)전하의 양이 같아서 전기를 띠지 않아요(중성).

서로 다른 두 물체를 문지르면 맞닿은 면에서 전자가 한 물체에서 다른 물체로 옮겨 가요. 전자를 잃은 물체는 (+)전하를, 전자를 얻은 물체는 (−)전하를 띠어요. 이렇게 물체가 전기를 띠는 것을 대전, 대전된 물체를 대전체, 문질러서 생긴 전기를 마찰 전기라고 해요. 원자핵은 무거워서 움직이지 않아요 — 옮겨 가는 것은 늘 전자예요.

어떤 물질이 전자를 잃기 쉬운지를 차례로 늘어놓은 것이 대전열이에요. 교과서에 실린 한 예는 털가죽 – 유리 – 명주 – 나무 – 고무 – 플라스틱 순이고, 왼쪽에 있는 물질일수록 전자를 잃고 (+)전하를 띠기 쉬워요. 두 물질이 대전열에서 멀리 떨어져 있을수록 잘 대전돼요.

대전체 사이에는 힘이 작용해요(전기력). 같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어 내고(척력), 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당겨요(인력). 전하의 양이 많을수록, 거리가 가까울수록 전기력이 세요.

직접 해 보기

정전기 실험실

불러오는 중…

자료 · 계산 대전열과 원자 모형으로 직접 만든 가상 실험 (전자 수는 실제보다 아주 적게 그렸어요)

해 볼 것 · A 와 B 를 골라 문질러 보세요. 파란 점(전자)이 대전열의 왼쪽 물질에서 오른쪽 물질로 옮겨 가요. ‘똑같이 문지른 B 두 개’를 누르면 같은 전하끼리의 척력도 볼 수 있어요. 위의 ‘② 검전기’로 바꾸면 정전기 유도 실험이에요.

같이 풀어 보기 1풍선과 털가죽

털가죽으로 문지른 고무풍선이 (−)전하를 띠었어요. ① 전자는 어디에서 어디로 옮겨 갔을까요? ② 털가죽은 어떤 전하를 띨까요? ③ 이 풍선을 같은 방법으로 문지른 다른 풍선에 가까이 하면 어떻게 될까요?

▸ 풀이 보기

① 털가죽 → 고무풍선. 풍선이 (−)전하를 띠었으니 전자를 얻은 거예요.

② (+)전하 — 전자를 잃었어요.

③ 두 풍선 모두 (−)전하라서 서로 밀어 내요(척력).

대전되지 않은 금속에 대전체를 가까이 가져가면, 금속 속에서 자유롭게 움직이는 전자(자유 전자)가 대전체에 끌려오거나 밀려나요. 그래서 대전체에 가까운 쪽에는 대전체와 다른 종류의 전하, 먼 쪽에는 같은 종류의 전하가 모여요. 이것이 정전기 유도예요. 대전체를 치우면 전자가 다시 고르게 퍼져 원래대로 돌아가요.

검전기는 정전기 유도로 물체가 대전되었는지 알아보는 기구예요. 대전체를 금속판에 가까이 하면 금속판에는 대전체와 다른 종류, 아래의 금속박 두 장에는 같은 종류의 전하가 모여 금속박이 서로 밀어 내며 벌어져요. 금속박이 벌어지는 정도로 전하의 양을 비교할 수 있어요.

불러오는 중…

자료 · 계산 대전열과 원자 모형으로 직접 만든 가상 실험 (전자 수는 실제보다 아주 적게 그렸어요)

같이 풀어 보기 2맞닿은 두 금속구

맞닿아 있는 금속구 A, B 에서 A 쪽에 (+)대전체를 가까이 했어요. ① A 와 B 는 각각 어떤 전하를 띨까요? ② 대전체를 그대로 둔 채 A 와 B 를 떼어 놓은 뒤 대전체를 치우면 A, B 는 어떤 전하를 띨까요?

▸ 풀이 보기

① (+)대전체가 전자를 끌어당겨 전자가 A 로 모여요 → A 는 (−)전하, B 는 전자가 모자라 (+)전하.

② 떼어 놓은 뒤에는 전자가 서로 오갈 수 없어서 A 는 (−)전하, B 는 (+)전하를 띤 채로 남아요.

생활 속 정전기 — 건조한 겨울에는 공기 중 물기가 적어 전하가 잘 빠져나가지 못해 정전기가 잘 생겨요(가습기 · 정전기 방지 패드가 돕는 까닭). 복사기와 레이저 프린터는 정전기로 토너 가루를 종이에 붙이고, 공기 청정기 필터는 정전기로 먼지를 붙잡아요. 번개는 구름 속에서 대전된 엄청난 양의 전하가 한꺼번에 이동하는 거예요.

앞에서

같은 개념 · 앞 층 · 초6 · 전기의 이용전류 · 전압 · 저항전지 · 전선 · 전구를 끊어지지 않게 이으면 전구에 불이 켜져요. 이렇게 전기가 흐르도록 이은 것을 전기 회로라고 해요.

→

중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 전기와 자기전류 · 전압 · 저항

→

다음에

같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학1 · 물질의 전기적 성질전류 · 전압 · 저항도체 · 반도체 · 절연체는 전자가 얼마나 자유롭게 움직일 수 있는지가 달라요. 반도체에 다른 원소를 조금 넣어 전기적 성질을 조절하면 다이오드 · 트랜지스터 같은 소자를 만들 수 있어요.

전류는 전하의 흐름이에요. 금속 도선 속의 자유 전자들은 전지에 이으면 (−)극에서 (+)극 쪽으로 줄지어 움직여요. 그런데 전류의 방향은 (+)극 → (−)극으로 약속되어 있어요 — 전자가 발견되기 전에 정한 약속이라 전자의 이동 방향과 반대예요. 전류의 세기는 1초 동안 도선의 한 단면을 지나는 전하의 양이고, 단위는 A(암페어) 예요(1 A = 1000 mA).

불러오는 중…

자료 · 계산 자유 전자 모형으로 직접 만든 가상 실험 (전자의 실제 속도와 수는 화면과 달라요)

전압은 전류를 흐르게 하는 능력이에요. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯, 전압이 있어야 전류가 흘러요. 단위는 V(볼트) 예요. 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도로, 도선 속에서 움직이는 전자가 원자와 부딪히기 때문에 생겨요. 단위는 Ω(옴) 이에요.

물의 흐름	전기 회로
물을 높이 퍼 올리는 펌프	전지
물의 높이 차	전압
흐르는 물의 양	전류
좁은 관 · 물레방아	저항 · 전구

물질마다 저항이 달라요. 구리 · 알루미늄처럼 전류가 잘 흐르는 물질은 도체, 유리 · 플라스틱 · 고무처럼 거의 흐르지 않는 물질은 부도체(절연체) 예요. 규소처럼 그 중간이면서 조건에 따라 전기적 성질을 조절할 수 있는 물질을 반도체라 하고, 휴대폰 · 컴퓨터의 칩과 LED 를 만들어요. 같은 물질의 도선이라도 길수록, 가늘수록 저항이 커요.

전류계는 재려는 곳에 직렬로, 전압계는 재려는 부품의 양 끝에 병렬로 연결해요. 둘 다 (+)단자를 전지의 (+)극 쪽에 잇고, 처음에는 가장 큰 눈금의 (−)단자부터 써요.

저항이 일정한 니크롬선에 걸리는 전압을 바꾸며 전류를 재면, 전류가 전압에 비례해요. 이것이 옴의 법칙이에요.

직접 해 보기

옴의 법칙 실험

불러오는 중…

자료 · 계산 마디 전압법으로 직접 계산한 가상 실험 (전지 하나 1.5 V, 전구 10 Ω)

해 볼 것 · 전지 수를 1 ~ 4개로 바꿀 때마다 ‘● 기록’을 눌러 보세요. 점들이 원점을 지나는 직선 위에 놓이고, 표의 V ÷ I 가 늘 저항값이에요. 저항을 바꾸면 기울기가 달라져요.

같이 풀어 보기 3옴의 법칙으로 구하기

① 저항이 10 Ω 인 니크롬선에 3 V 의 전압을 걸면 흐르는 전류는 몇 A 일까요? ② 이 니크롬선에 0.6 A 가 흐르게 하려면 전압을 몇 V 걸어야 할까요?

▸ 풀이 보기

① $I = \dfrac{V}{R} = \dfrac{3}{10} = 0.3\ \text{A}$

② $V = IR = 0.6 \times 10 = 6\ \text{V}$ — 전류를 2배로 하려면 전압도 2배.

같이 풀어 보기 4그래프로 저항 비교

위 그래프에서 니크롬선 A, B 의 저항은 각각 몇 Ω 일까요? 같은 전압을 걸었을 때 전류가 더 많이 흐르는 것은 어느 것일까요?

▸ 풀이 보기

A: 3 V 일 때 0.3 A → $R = \dfrac{3}{0.3} = 10\ \Omega$. B: 3 V 일 때 0.15 A → $R = \dfrac{3}{0.15} = 20\ \Omega$.

같은 전압에서는 저항이 작은 A 에 전류가 2배 더 흘러요. 그래프의 기울기가 클수록 저항이 작아요.

앞에서

같은 개념 · 앞 층 · 초6 · 전기의 이용직렬연결과 병렬연결전구 두 개를 한 줄로 이으면(직렬연결) 하나일 때보다 어둡고, 여러 갈래로 이으면(병렬연결) 하나일 때만큼 밝아요. 병렬연결은 전구 하나를 빼도 나머지 전구가 계속 켜져 있어요.

먼저 알 것 · 초6 · 전기의 이용전류 · 전압 · 저항전지 · 전선 · 전구를 끊어지지 않게 이으면 전구에 불이 켜져요. 이렇게 전기가 흐르도록 이은 것을 전기 회로라고 해요.

→

중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 전기와 자기직렬연결과 병렬연결

이 단원 · 중2 · 전기와 자기전기 에너지와 소비 전력

→

다음에

같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학직렬연결과 병렬연결직렬로 이은 저항 전체는 저항을 모두 더한 값이고, 병렬로 이은 저항 전체의 역수는 각 저항의 역수의 합이에요(합성 저항 — 중학교에서는 수로 계산하지 않아요).

같은 개념 · 다음 층 · 고1 통합과학2 · 에너지 전환과 효율전기 에너지와 소비 전력발전소에서 만든 전기 에너지가 전달되고 쓰이는 동안 일부는 열로 빠져나가요. 공급한 에너지 가운데 쓸모 있게 바뀐 비율이 효율이고, 효율을 높이는 것이 에너지 절약과 기후변화 대응으로 이어져요.

이어지는 것 · 고1 통합과학2 · 발전과 에너지전자기 유도와 발전코일 속을 지나는 자기장이 변하면 코일에 전류가 흘러요(전자기 유도). 발전기는 이 원리로 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸는데, 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 전동기와 거꾸로예요.

저항(전구)을 한 줄로 잇는 것을 직렬연결, 여러 갈래로 나누어 잇는 것을 병렬연결이라고 해요.

	직렬연결	병렬연결
각 전구에 흐르는 전류	모두 같다	나뉘어 흐른다
각 전구에 걸리는 전압	나뉘어 걸린다	모두 같다
전구를 더 이으면 전체 전류	줄어든다	늘어난다
전구 하나가 끊어지면	모두 꺼진다	나머지는 켜진다
생활 속 예	장식 전구 · 스위치	집 안 배선 · 멀티탭

병렬연결에서 전체 전류는 갈래마다 흐르는 전류를 더한 것이고, 각 갈래에는 전지의 전압이 그대로 걸려요. 집 안의 전기 기구는 모두 병렬로 연결되어 있어서 기구마다 220 V 가 걸리고, 하나를 꺼도 다른 기구는 계속 쓸 수 있어요. 그 대신 멀티탭 하나에 기구를 많이 꽂으면 전체 전류가 커져 전선이 뜨거워지고 불이 날 수 있어요.

불러오는 중…

자료 · 계산 마디 전압법으로 직접 계산한 가상 실험 (전지 하나 1.5 V, 전구 10 Ω)

같이 풀어 보기 5전구 두 개

같은 전구 두 개를 같은 전지에 ① 직렬로 이었을 때와 ② 병렬로 이었을 때, 전구 하나만 이었을 때와 밝기를 비교하세요. ③ 각각 전구 하나를 빼면 다른 전구는 어떻게 될까요?

▸ 풀이 보기

① 직렬: 전지의 전압이 두 전구에 나뉘어 걸려 하나일 때보다 어두워요.

② 병렬: 전구마다 전지의 전압이 그대로 걸려 하나일 때와 밝기가 같아요.

③ 직렬은 길이 끊겨 다른 전구도 꺼지고, 병렬은 다른 전구가 그대로 켜져 있어요.

전기 기구는 전기 에너지를 다른 에너지로 바꿔요. 전등은 빛에너지, 전기밥솥 · 다리미는 열에너지, 스피커는 소리 에너지, 선풍기 · 세탁기는 운동 에너지로 바꿔요. 전기 기구가 1초 동안 쓰는 전기 에너지를 소비 전력이라 하고 단위는 W(와트) 예요. 전기 기구의 이름표에 적힌 '220 V 1000 W'는 220 V 에 연결하면 1초에 1000 J 의 전기 에너지를 쓴다는 뜻이에요(소비 전력은 전압 × 전류이기도 해요).

전기 기구가 쓴 전기 에너지의 양은 전력량이라 하고, 소비 전력에 사용 시간을 곱해 구해요.

불러오는 중…

자료 · 계산 기구별 소비 전력은 흔한 제품의 대략값이에요 — 우리 집 기구의 이름표 값으로 바꿔 보세요

같이 풀어 보기 6헤어드라이어의 전력량

소비 전력이 1500 W 인 헤어드라이어를 하루에 20분씩 쓰면 하루 전력량은 몇 Wh 일까요? 30일 동안이면 몇 kWh 일까요?

▸ 풀이 보기

20분 = $\dfrac{1}{3}$ 시간이므로 $1500 \times \dfrac{1}{3} = 500\ \text{Wh}$ 예요.

30일이면 $500 \times 30 = 15000\ \text{Wh} = 15\ \text{kWh}$ 예요.

같은 밝기의 빛을 내는 데 LED 전등은 백열전구보다 훨씬 적은 전기 에너지를 써요. 백열전구는 전기 에너지의 대부분을 빛이 아닌 열로 바꾸기 때문이에요. 같은 일을 적은 에너지로 하는 기구일수록 효율이 높고, 에너지 소비 효율 등급이 1등급에 가까워요. 효율이 높은 기구를 쓰면 발전에 드는 화석 연료와 온실 기체를 줄일 수 있어요.

앞에서

같은 개념 · 앞 층 · 초4 · 자석의 이용자석과 자기장자석에는 N극과 S극이 있어서 같은 극끼리는 밀어 내고 다른 극끼리는 끌어당겨요. 나침반 바늘도 자석이라 N극이 늘 북쪽을 가리켜요.

같은 개념 · 앞 층 · 초6 · 전기의 이용전류의 자기 작용전기가 흐르는 전선 가까이에 나침반을 놓으면 바늘이 움직여요. 둥근머리 볼트에 전선을 감고 전기를 흘리면 자석이 되는데(전자석), 전지의 방향을 바꾸면 극이 바뀌고 전지를 더 이으면 세져요.

먼저 알 것 · 초6 · 전기의 이용전류 · 전압 · 저항전지 · 전선 · 전구를 끊어지지 않게 이으면 전구에 불이 켜져요. 이렇게 전기가 흐르도록 이은 것을 전기 회로라고 해요.

→

중학에서 — 이 단원

이 단원 · 중2 · 전기와 자기자석과 자기장

이 단원 · 중2 · 전기와 자기전류의 자기 작용

이 단원 · 중2 · 전기와 자기자기장 속 전류가 받는 힘과 전동기

→

다음에

같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학 · 지구과학자석과 자기장자기장의 세기를 수(단위 T, 테슬라)로 나타내고, 지구 자기장이 우주에서 날아오는 대전 입자로부터 지구를 지켜 준다는 데까지 넓혀요.

같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학전류의 자기 작용직선 도선이 만드는 자기장의 세기는 전류에 비례하고 도선에서의 거리에 반비례해요. 변하는 자기장이 전류를 만드는 전자기 유도로 이어져요.

같은 개념 · 다음 층 · 고등 물리학자기장 속 전류가 받는 힘과 전동기힘의 크기는 자기장의 세기, 전류의 세기, 자기장 속 도선의 길이에 비례해요. 스피커와 바늘이 움직이는 전류계도 이 힘을 써요.

이어지는 것 · 고1 통합과학2 · 발전과 에너지전자기 유도와 발전코일 속을 지나는 자기장이 변하면 코일에 전류가 흘러요(전자기 유도). 발전기는 이 원리로 운동 에너지를 전기 에너지로 바꾸는데, 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 전동기와 거꾸로예요.

자석 둘레처럼 자기력이 작용하는 공간을 자기장이라고 해요. 자기장의 방향은 그 자리에 놓은 나침반 바늘의 N극이 가리키는 방향이고, 이것을 이은 선이 자기력선이에요. 자기력선은 N극에서 나와 S극으로 들어가고, 서로 엇갈리지 않으며, 촘촘한 곳일수록 자기장이 세요.

전류가 흐르는 도선 둘레에도 자기장이 생겨요(전류의 자기 작용). 직선 도선 둘레의 자기장은 도선을 중심으로 한 동심원 모양이에요. 오른손 엄지를 전류의 방향으로 하고 도선을 감아쥐면 네 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향이에요. 전류가 셀수록, 도선에 가까울수록 자기장이 세요.

도선을 원통 모양으로 여러 번 감은 코일에 전류가 흐르면 코일 속에는 나란한 자기장이, 밖에는 막대자석과 비슷한 자기장이 생겨요. 오른손 네 손가락을 전류의 방향으로 감아쥐면 엄지가 가리키는 쪽이 N극이에요. 코일 속에 철심을 넣으면 자기장이 훨씬 세지는데, 이것이 전자석이에요. 전자석은 전류의 세기와 감은 수로 세기를, 전류의 방향으로 극을 바꿀 수 있어요.

불러오는 중…

자료 · 계산 막대자석은 두 자극, 도선 · 코일은 비오–사바르 법칙으로 계산한 자기장

같이 풀어 보기 7코일의 극

위 코일에서 전류의 방향을 반대로 바꾸면 A 쪽은 무슨 극이 될까요? 철심을 넣으면 무엇이 달라질까요?

▸ 풀이 보기

전류 방향을 바꾸면 네 손가락이 반대로 감겨 엄지가 오른쪽(B)을 가리켜요 → B 쪽이 N극, A 쪽은 S극이 돼요.

철심을 넣으면 극은 그대로이고 자기장이 훨씬 세져요(전자석).

자기장 속에 놓인 도선에 전류가 흐르면 도선이 힘을 받아요. 힘의 방향은 전류의 방향과 자기장의 방향 모두에 수직이에요. 오른손을 펴서 네 손가락을 자기장 방향(N → S), 엄지를 전류 방향으로 하면 손바닥이 미는 쪽이 힘의 방향이에요. 전류나 자기장 가운데 하나의 방향을 바꾸면 힘이 반대가 되고, 둘 다 바꾸면 처음과 같아요. 전류가 셀수록, 자석이 셀수록 힘이 크고, 도선이 자기장과 나란하면 힘을 받지 않아요.

직접 해 보기

전기 그네와 전동기

불러오는 중…

자료 · 계산 자기장 속 전류가 받는 힘(전류 × 자기장 방향)으로 직접 만든 모형

해 볼 것 · ‘⚡ 전류 흘리기’를 누르고, 전류 방향과 자석의 극을 하나씩 바꿔 그네가 기우는 쪽을 보세요. ‘전동기’로 바꾸면 코일의 두 변이 받는 힘(주황)이 보여요. ‘정류자 없음’을 누르면 코일이 계속 돌지 못하고 흔들리다 멈춰요.

전동기는 이 힘으로 코일을 돌려요. 자석 사이에 놓인 사각 코일의 두 변 AB 와 CD 에는 전류가 반대 방향으로 흘러, 한 변은 위로 다른 변은 아래로 힘을 받아 코일이 돌아요. 코일이 반 바퀴 돌 때마다 정류자와 브러시가 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿔 주어 코일이 같은 방향으로 계속 돌아요. 전동기는 전기 에너지를 운동 에너지로 바꾸는 장치로 선풍기 · 세탁기 · 전기 자동차 · 드론 · 엘리베이터에 쓰여요.

같이 풀어 보기 8힘의 방향 바꾸기

위 전기 그네 그림(위 N극 · 아래 S극, 전류는 종이 속으로)에서 ① 자석의 극을 바꾸면 도선이 받는 힘은 어느 쪽일까요? ② 자석의 극과 전류의 방향을 모두 바꾸면 어떨까요?

▸ 풀이 보기

① 자기장이 위쪽으로 바뀌어 힘이 반대 — 오른쪽이에요.

② 두 방향을 모두 바꾸면 힘은 처음과 같은 왼쪽이에요.

같이 풀어 보기 9정류자가 없다면

전동기에 정류자가 없어 코일의 전류 방향이 늘 같다면, 코일은 어떻게 움직일까요?

▸ 풀이 보기

반 바퀴를 넘어가면 두 변의 위치가 바뀌어 힘이 코일을 거꾸로 돌리는 쪽으로 작용해요. 그래서 코일은 앞뒤로 흔들리다가 코일 면이 자기장에 수직인 자리에서 멈춰요. 정류자가 반 바퀴마다 전류의 방향을 바꿔 주어야 계속 같은 방향으로 돌아요.

더 나아가기 — 전동기를 거꾸로 쓰면 어떻게 될까요? 코일을 손으로 돌리면 코일 속을 지나는 자기장이 변하면서 코일에 전류가 흘러요. 이것이 고등학교 통합과학에서 배우는 전자기 유도이고, 발전소의 발전기가 이 원리로 전기를 만들어요.

한 장 요약

한 장 요약

1. 마찰 전기: 문지르면 전자가 옮겨 가 대전(잃으면 (+), 얻으면 (−)), 같은 전하끼리 척력 · 다른 전하끼리 인력. 정전기 유도: 대전체에 가까운 쪽은 다른 전하, 먼 쪽은 같은 전하 — 검전기의 금속박이 벌어져요.
2. 전류 = 전하의 흐름(전자는 (−)극 → (+)극, 전류는 (+)극 → (−)극). 전압은 전류를 흐르게 하는 능력, 저항은 방해하는 정도. 옴의 법칙 $I = \dfrac{V}{R}$. 전류계는 직렬, 전압계는 병렬.
3. 직렬: 전류가 같고 전압이 나뉨, 하나 끊기면 모두 꺼짐. 병렬: 전압이 같고 전류가 나뉨(집 안 배선). 전기 에너지 → 빛 · 열 · 소리 · 운동, 전력량 = 소비 전력 × 시간.
4. 전류는 자기장을 만들어요(직선 도선: 동심원, 코일: 엄지 쪽이 N극). 자기장 속 전류는 수직 방향의 힘을 받고, 전동기는 정류자로 이 힘을 계속 같은 방향으로 써서 돌아요.