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1. 전기와 전하
1.1. 전자의 특성
전자는 음의 전하를 띠고 있는 입자이다. 원자의 내부에는 원자핵이 있는데 그 주위에 존재한다. 톰슨의 음극선 실험에서 발견되었는데, 진공방전에서 형광 빛이 생기는 것을 관찰하였다. 미국의 밀리컨의 실험으로 전자의 질량을 측정하는데 성공하였고, 1.60*10^-19이라는 것을 알아내었다. 톰슨의 공식에 대입하면 질량 또한 알아 낼 수 있으며, 닐스보어, 헨리 모즐리의 x선 실험을 하며 자세히 밝혀졌다. 원자는 물리적 성질 화학적 성질 둘 다 가지고 있다. 물리적 성질로는 전자 또한 파동의 이중성을 같은다는 것이 밝혀짐으로, 위치나 운동량의 확률만 알 수 있지 정확한 값은 구할 수가 없다는 것이다. 화학적 성질로는 옥텟 법칙에 따라 최외각전자가 8개일 때 가장 안전하다는 것이다. 전자는 원자의 성질을 정하는 중요한 요소이기에 화학에서는 원자가전자에 대해 주목한다.".
1.2. 전하의 개념과 단위
전하(電荷)는 물체가 띠고 있는 정전기의 양을 나타내며, 전기현상을 일으키는 원인이다. 전하에는 양전하와 음전하가 있는데, 양성자나 양전하의 전하를 양(+)으로 표시하고 전자의 전하를 음(-)으로 표시한다. 전하의 국제단위는 쿨롱(C)으로, 약 6.25*10^18개의 전자의 전하량이 1쿨롱에 해당한다."전하의 개념과 단위"에서 가장 중요한 부분은 다음과 같다.
첫째, 전하는 물체가 띠고 있는 정전기의 양을 나타내며, 전기현상을 일으키는 원인이다. 양전하와 음전하가 있으며, 양성자나 양전하의 전하를 양(+)으로, 전자의 전하를 음(-)으로 표시한다.
둘째, 전하의 국제단위는 쿨롱(C)이며, 약 6.25*10^18개의 전자의 전하량이 1쿨롱에 해당한다. 전하량이 작은 단일 전자의 전하는 검출하기 어렵기 때문에, 많은 수의 전자들이 모여 전하를 이루어 측정한다.
따라서 전하는 물체에 존재하는 정전기의 양을 나타내는 개념이며, 양전하와 음전하로 구분되며 그 크기는 쿨롱(C)으로 표시된다고 할 수 있다."
1.3. 쿨롱의 법칙
쿨롱의 법칙은 두 점 전하 사이의 힘을 측정한 결과를 바탕으로 발견되었다"". 샤를 드 쿨롱은 두 전하 사이의 힘이 두 전하의 크기의 곱에 비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례한다는 법칙을 발견하였다"". 이는 수학식으로 표현하면 다음과 같다:
F = Ke * (q1 * q2) / r^2
여기서 F는 두 전하 사이에 작용하는 힘, Ke는 쿨롱 상수, q1과 q2는 두 전하의 크기, r은 두 전하 사이의 거리이다"".
쿨롱의 법칙에 따르면 같은 종류의 전하(양전하 또는 음전하)끼리는 서로 밀어내는 척력이 작용하며, 서로 다른 종류의 전하끼리는 서로 당기는 인력이 작용한다"". 전하의 크기가 클수록, 그리고 전하 사이의 거리가 가까울수록 작용하는 힘의 크기가 더 커진다는 것을 알 수 있다"".
단일 전자의 전하량은 매우 작아서 보통 실험에서는 1.6*10^-19C의 전하량을 가진 6.25*10^18개의 전자들을 한꺼번에 다룬다"". 이렇게 많은 수의 전자들의 전하량을 모아서 다루는 이유는 단일 전자로는 힘의 크기가 너무 작아 감지하기 어렵기 때문이다"".
2. 전압과 전류
2.1. 전압의 개념
전압은 전위차라고도 불리는데, 이는 전기장 내에서 두 지점 사이의 전기 에너지 차이를 나타낸다. 전압이 존재한다는 것은 전기를 흐르게 하는 원인이 된다. 전압은 전류가 자기장을 통과하거나 자기장의 세기가 시간에 따라 변화할 때 발생한다.
회로에서 전압을 측정할 때에는 전압계를 이용하는데, 이때 전압계는 두 지점 사이에 병렬로 연결되어야 한다. 이는 전압이 두 지점 사이의 전기 에너지 차이를 나타내기 때문이다.
전압은 전류를 발생시키는 원인이 되며, 전압이 존재해야 전류가 흐를 수 있다. 따라서 전압과 전류는 밀접한 관련이 있다고 볼 수 있다. 전압은 전기 회로의 동작을 결정하는 중요한 요소로, 전압의 세기와 방향에 따라 전기 회로의 동작이 달라진다.""
2.2. 전류의 개념
전류는 일정시간 동안 흐른 전하량의 비율을 말한다. 단위는 암페어(A)이며 기호는 A로 표시된다. 전류는 자기장과 밀접한 관련이 있는데 전류가 흐르는 도선에서는 자기장이 형성된다.
패러데이는 전해질의 전도를 통한 실험으로 1암페어는 1초 동안 0.001118그램의 은을 축적한 세기로 정의하였으며, 양극에서 음극으로 흐른다고 보았다. 전자의 흐름은 음극에서 양극으로 흐르지만, 최초 전류가 흐르는 방향을 양극에서 음극으로 정의하여 오늘날까지 그렇게 알려져있다.
2.3. 옴의 법칙
옴의 법칙은 전류가 흐르는 도체에서 전압은 전류에 비례하고 저항에 반비례한다는 법칙이다.""
옴의 법칙에 따르면 도체에 흐르는 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다. 즉, V=IR이다. 여기서 V는 전압, I는 전류, R은 저항을 나타낸다.""
옴의 법칙은 독일의 물리학자 조르크 시몬 옴이 발견한 것으로, 전압, 전류, 저항 사이의 관계를 명확히 밝혀냈다. 옴의 법칙은 단일 저항에서뿐만 아니라 여러 개의 저항이 연결된 회로에서도 성립한다.""
직렬 회로에서는 전류가 같기 때문에 전압이 저항에 비례하며, 병렬 회로에서는 전압이 같기 때문에 전류가 저항에 반비례한다. 이러한 옴의 법칙은 전기 회로의 분석과 설계에 필수적으로 사용된다.""
가정용 전기 사용 시에도 옴의 법칙을 고려할 수 있다. 전압이 110V인 경우와 220V인 경우를 비교하면, 동일한 저항에 흐르는 전류는 110V일 때가 220V일 때보다 2배 크다. 따라서 손실 전력은 1/4로 줄어들게 된다.""
이처럼 옴의 법칙은 전기 회로를 분석하고 설계하는 데 필수적인 이론으로, 전기전자공학 분야에서 매우 중요한 역할을 한다.""
3. 도체, 부도체, 반도체
3.1. 도체의 특성
도체는 전자가 자유롭게 움직일 수 있어 전기가 잘 통하는 물질이다. 도체의 대표적인 특성은 다음과 같다.
첫...
