💧 물탱크로 생각해 보기

펌프로 물을 높은 물탱크에 퍼 올려 두면, 물탱크와 땅 사이에 높이 차이가 생깁니다. 이제 파이프만 연결하면 물은 저절로 아래로 흘러내리며 물레방아를 돌립니다. 건전지는 화학 에너지로 전자를 '높은 곳'으로 퍼 올리는 펌프이고, 전압은 물탱크의 높이, 전선은 파이프, 흐르는 물은 전류, 물레방아는 전구에 해당합니다. 물탱크가 높을수록(전압이 클수록) 물이 더 세차게 흐르는 것처럼, 전압이 클수록 전류를 더 세게 밀어 줍니다.

⚡ 에너지로 다시 보는 전압

높은 물탱크의 물이 위치 에너지를 가진 것처럼, 전자를 억지로 한쪽에 몰아 둔 불균형 상태에는 전기의 위치 에너지가 저장되어 있습니다. 전자를 옮길 때 쓴 에너지가 사라지지 않고 그 불균형 속에 쌓인 것이지요. 전압은 바로 이 에너지를 전하 1 C(쿨롱)당 나타낸 값입니다.

• 1 V = 1 J/C — 1.5 V 건전지는 전하 1 C를 밀어 보낼 때마다 1.5 J의 에너지를 실어 줍니다.
• 전기 에너지 = 전압 × 전하량 — 전압이 높아도 옮겨지는 전하가 아주 적으면(정전기) 에너지는 작습니다.
• 에너지는 모습만 바뀝니다 — 건전지의 화학 에너지 → 전기 에너지 → 전구의 빛·열 에너지. 전자는 전구를 지나며 '전기적 높이'를 내려오고, 그 높이만큼의 에너지를 내놓습니다.

에너지의 뜻과 에너지 보존 법칙, 계단·미끄럼틀로 보는 전압은 에너지란 무엇일까? 편에서 직접 움직여 볼 수 있습니다.

🔧 집에서 직접 해보기 — 레몬 전지

레몬에 아연 도금 못과 구리선(또는 구리판)을 서로 닿지 않게 꽂으면 두 금속 사이에 약 0.9 V의 전압이 생깁니다. 아연은 전자를 내놓으려 하고 구리 쪽은 전자를 받아들이려 하는 화학 반응이 레몬즙 속에서 일어나기 때문입니다. 레몬 3~4개를 구리 → 아연 → 구리 → 아연 순서로 전선을 이어 연결하면 전압이 더해져 작은 LED를 희미하게 켤 수도 있습니다. (LED는 긴 다리를 구리 쪽(+)에 연결하세요. 실험이 끝난 레몬은 먹지 마세요.)

💡 재미있는 사실!

전압의 단위 볼트(V)는 1800년 처음으로 전지를 만든 이탈리아 과학자 알레산드로 볼타의 이름에서 왔습니다. 볼타는 아연판과 구리판 사이에 소금물에 적신 천을 끼워 여러 층으로 쌓은 '볼타 전지'로, 사람이 처음으로 전류를 꾸준히 흘려보낼 수 있게 했습니다. 자연에도 전지가 있습니다. 남아메리카의 전기뱀장어는 몸속의 수천 개 전기 세포를 건전지처럼 일렬로 이어 수백 볼트의 전압을 만들어 냅니다.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

원리 자세히 보기

• 1 V란 얼마일까? — 1 C(쿨롱, 전자 약 6.24×10¹⁸개의 전하)를 옮길 때 1 J(줄)의 일을 하는 전압이 1 V입니다. 즉 전압은 '전하 하나하나가 가진 전기적 위치 에너지(전위)'의 차이이며, 그래서 전위차라고도 부릅니다. 1.5 V 건전지는 전하 1 C마다 1.5 J의 에너지를 실어 보내는 셈입니다. (에너지와 에너지 보존은 에너지란 무엇일까? 편 참고)
• 전도도와 저항률 — 20 ℃에서 저항률은 은 약 1.6×10⁻⁸, 구리 약 1.7×10⁻⁸, 금 약 2.4×10⁻⁸, 알루미늄 약 2.8×10⁻⁸, 텅스텐 약 5.6×10⁻⁸, 니크롬 약 1.1×10⁻⁶ Ω·m입니다(값이 작을수록 잘 통함). 표의 '구리 = 100' 값은 이를 구리 기준 백분율(%IACS)로 바꾼 대략값입니다. 금속은 온도가 오르면 원자의 진동이 커져 전자가 더 자주 부딪히므로 저항이 커집니다. 알루미늄은 밀도가 구리의 약 30%라서, 같은 무게로 견주면 구리보다 약 2배 가까이 전류를 잘 보냅니다.
• 건전지 속에서 일어나는 일 — 알칼리 건전지의 (−)극 쪽에서는 아연이 전자를 내놓는 반응(산화)이, (+)극 쪽에서는 이산화망가니즈가 전자를 받아들이는 반응(환원)이 일어납니다. 두 반응이 전자를 원하는 정도의 차이가 약 1.5 V의 전압을 만듭니다. 그래서 전압은 건전지의 크기가 아니라 재료로 정해집니다(리튬 이온 배터리는 약 3.7 V). 크기가 크면 반응할 물질이 많아 오래 쓸 수 있을 뿐입니다(용량).
• 전자는 의외로 느리다 — 구리 속 자유전자는 원래 초속 1,500 km가 넘는 빠르기로 제멋대로 움직이고 있습니다. 전압을 걸면 그 위에 한 방향으로 떠밀리는 움직임(표류)이 더해지는데, 단면적 1 mm² 구리선에 1 A가 흐를 때 표류 속도는 1초에 0.1 mm도 안 됩니다. 스위치를 켜자마자 전등이 켜지는 것은 전자가 빨리 달려서가 아니라, 전자를 미는 '전기장'이 전선을 따라 빛의 속도에 가깝게 전해져 전선 속의 모든 전자가 거의 동시에 움직이기 시작하기 때문입니다.
• 21 cm선 자세히 — 수소 바닥 상태의 '초미세 구조' 두 준위 사이 에너지 차이는 약 5.9×10⁻⁶ eV로 아주 작아서, 그에 해당하는 빛은 파장 21.1 cm의 전파가 됩니다. 원자 하나가 스스로 이 전파를 낼 확률은 약 1,100만 년에 한 번꼴로 매우 낮지만, 차가운 기체 속 원자끼리 부딪히며 계속 다시 들뜨고 수소 원자의 수가 워낙 많아 하늘 어디에서나 관측됩니다. 국제 규칙으로 1400~1427 MHz 대역의 전파 송신을 금지해 이 약한 신호를 보호하고 있습니다 (주파수 편 참고).
• 21 cm선으로 알아낸 것 — 우리은하 원반의 수소 구름 속도를 방향별로 재어 나선팔 지도를 그렸고, 다른 은하의 바깥쪽 수소까지 회전 속도를 재 보니 별빛만으로는 설명할 수 없을 만큼 빠르게 돌고 있어 암흑물질의 중요한 증거가 되었습니다. 요즘에는 아주 먼 우주에서 온 21 cm선으로 최초의 별이 생기던 시기를 연구하려는 대형 전파망원경(SKA 등)도 만들어지고 있습니다. 참고로 KVN은 22~129 GHz의 높은 주파수로 물·일산화규소 메이저 등을 관측하므로 21 cm선을 직접 관측하지는 않지만, 같은 수소 전이를 이용한 수소 메이저를 기준 시계로 씁니다.
• 전자가 떨어져 나간 수소 — 뜨거운 별 주변에서는 강한 자외선이 수소의 전자를 떼어 내 (+) 양성자와 (−) 전자로 나뉜 '이온화 수소'가 됩니다(① 구리 원자 실험과 같은 원리). 양성자가 전자를 다시 붙잡을 때도 정해진 주파수의 전파 (재결합선)가 나오며, 별이 태어나는 영역을 찾는 데 쓰입니다.
• 전압은 언제나 '두 곳 사이'의 값 — 높이를 말할 때 기준(바닥)이 필요하듯, 전압도 두 지점을 비교한 값입니다. 고압선에 앉은 새가 감전되지 않는 것은 두 발이 같은 전선 위, 즉 전압 차이가 거의 없는 두 지점에 있어 몸으로 전류가 흐르지 않기 때문입니다.
• 전압·전류·저항 — 같은 전압이라도 길(전선이나 전구)이 전류를 방해하는 정도(저항)에 따라 흐르는 전류가 달라집니다. 이 관계(전압 = 전류 × 저항)가 1827년 옴이 밝힌 옴의 법칙입니다(전류 흐름 제어(저항), 계산은 전기/회로 공식).
• 전파로 이어지는 길 — 전압이 일정하면 전류도 한 방향으로 일정하게 흐르는 직류가 되고, 전압의 (+)와 (−)가 계속 바뀌면 전류도 왕복하는 교류가 됩니다. 이 교류가 전파를 만드는 과정은 직류와 교류의 차이 편에서 이어집니다.

생활 속 전압 크기 비교

전압 연구의 발전사

비유로 설명하기

• 전압은 "미끄럼틀의 높이"와 같습니다. 높은 미끄럼틀일수록 내려오는 힘이 세지만, 계단(건전지)을 올라가는 데에는 에너지가 듭니다. 아이들(전자)이 계단으로 올라가 미끄럼틀로 내려오기를 반복하는 것이 회로에 전류가 흐르는 모습입니다.
• 건전지를 직렬로 이어 전압이 커지는 것은 "미끄럼틀 위에 미끄럼틀을 하나 더 쌓는 것"과 같습니다. 1.5 V 건전지 두 개를 (+)와 (−)가 맞닿게 이으면 높이가 더해져 3 V가 됩니다.

자주 하는 오해

• "건전지 속에 전자가 들어 있다가 다 쓰면 없어진다" — 회로를 도는 전자는 원래 전선 속에 있던 자유전자입니다. 건전지는 전자를 새로 만들어 내는 것이 아니라 밀어 주는 펌프이고, 펌프를 돌리는 화학 물질이 다 반응해 버리면 더 이상 밀어 주지 못하는 것입니다.
• "큰 건전지일수록 전압이 높다" — AA형과 D형 건전지는 크기가 크게 달라도 모두 1.5 V입니다. 크기는 얼마나 오래 쓸 수 있는지(용량)를 좌우합니다.
• "전압이 높으면 전자가 엄청 빨리 달린다" — 전자 자체의 흐름은 아주 느립니다. 빠른 것은 전자를 미는 신호(전기장)입니다.
• "전압과 전류는 같은 말이다" — 전압은 미는 힘(높이 차이), 전류는 실제로 흐르는 전하의 양입니다. 건전지만 따로 두면 전압은 있지만 전류는 0입니다.

함께 해 볼 질문·활동

• 멀티미터(전압계)로 새 건전지와 다 쓴 건전지의 전압을 재어 비교해 보기 (멀티미터는 직류 전압 'V⎓' 위치에 두세요.)
• 레몬 대신 감자, 사과, 소금물로 전지를 만들어 어느 것의 전압이 가장 높은지 예상하고 측정해 보기
• 건전지 두 개를 같은 방향으로 이을 때와 하나를 거꾸로 이을 때 전압이 어떻게 달라질지 예상해 보기 (거꾸로 이으면 두 건전지의 미는 힘이 서로 상쇄되어 거의 0 V가 됩니다.)
• 풍선을 머리카락에 문지른 뒤 벽에 붙여 보고, 전자가 어느 쪽으로 옮겨 갔을지 이야기해 보기