한수원블로그
삶에 활력(力)을 더하는 이야기
모바일메뉴 열기
검색창 닫기

전기에도 힘이 있다? 전기력(electric force)

  • 2015.10.07.
  • 2366
  • 블로그지기
  • 페이스북
  • 트위터
  • 카카오
  • 인쇄

20151007_한수원_전기력_01

 

우리는 전기를 사용하는 데 익숙하죠. 휴대전화, 컴퓨터, 전등, TV, 지하철, 자동차 등 일상생활에 사용하는 거의 모든 물건이 전기와 연결되어 있습니다. 우리에게 필요한 대부분의 기계나 기기도 모두 전기에너지로 작동하고 있습니다.

그런데 이런 전기로 일어나는 현상의 근원이 무엇인지 직접 확인하기는 매우 어렵습니다.
왜냐하면 눈에 보이지 않기 때문입니다.

하지만 눈에는 보이지 않지만 전기에도 힘 있다는 사실! 알고 계셨나요?
오늘은 전기력에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

20151007_한수원_전기력_02

 

◆ 전기에 의한 힘

전기에 의한 힘, 즉 전기력을 체계적으로 분석할 수 있었던 것은 뉴턴의 운동 법칙 덕분인데요. 17세기 말 뉴턴의 운동 법칙이 발표되기 전에는 힘과 운동에 대한 이해가 부족했고 당연히 전기력에 대한 이해도 미미했습니다.

당시 전기력은 마찰전기를 다룰 줄 아는 몇몇 사람들이 펼치는 마술사들의 전유물이라고 여겨졌는데요. 마찰전기를 만들어 작은 양의 전기를 몸에 담으면 중력을 거슬러 동전을 끌어올리는 일도 가능했기 때문입니다.

전기는 우리 눈으로 직접 확인할 수 없지만, 만유인력의 근원인 물체의 질량은 눈으로 확인할 수 있습니다. 중력에 의한 힘, 즉 무게가 적어도 물체의 크기 또는 갯수에 비례함을 직관적으로 알 수 있습니다.

예를 들어, 사과 2개의 질량은 사과 1개 질량의 2배가 된다는 식으로 이해할 수 있었지만, 눈에 보이지 않는 전기에 대해서는 그런 크기나 양을 파악하기가 어렵습니다.

 

20151007_한수원_전기력_03

 

◆ 번개 에너지의 힘

번개는 엄청난 양의 전기 에너지를 갖고 있습니다. 번개 한 개의 평균 에너지는 10억 줄(J) 정도인데요. 이정도의 에너지는 100와트(W) 전구를 약 6개월 간 켤 수 있는 에너지의 양과 같습니다. 정말 엄청난 에너지이죠.

전 세계적으로 매초 40~50개의 번개가 땅에 떨어지고 1년이면 약 14억 개의 번개가 발생하게 됩니다. 이렇게 많은 번개의 에너지를 모아 재생에너지로 활용하면 좋겠다는 생각이 들게 마련인데요. 하지만 번개 에너지를 모으기는 쉽지가 않습니다. 짧은 시간에 흐르는 전류를 모으려면 엄청나게 큰 용량의 축전기가 필요하고 또 그 과정에서 발생하는 에너지 손실을 막기가 어렵기 때문입니다.

이러한 번개는 눈에 보이기 때문에 전기를 눈으로 봤다고 생각할 수 도 있습니다. 하지만 번개 칠 때 나오는 섬광도 전기의 흐름 자체가 아니라 전기의 흐름으로 발생된 열에 의한 빛이기 때문이죠.

 

◆ 5천만 볼트의 전압 ‘번개에너지’

번개 칠 때 땅과 구름 사이에 전달되는 전하량은 평균 20쿨롱 정도라고 합니다. 

따라서 번개 한 개가 10억 줄의 에너지를 저장하려면 최소 5천만 볼트의 전압 차이가 필요하게 되는데요. 번개가 내리치려면 전하가 흘러가는 일종의 전류가 만들어져야 하는데, 구름과 땅 사이에는 부도체인 공기로 채워져 있어 문제입니다. 일반적으로 공기는 부도체라서 전기가 흐르지 않는습니다.

그러나 1미터 당 3백만 볼트의 전압이 걸리면, 공기에도 유전 파괴 현상이 일어나 방전 스파크를 내며 전류가 흐를 수 있습니다. 번개가 일종의 방전 스파크 같은 전기 흐름이 되려면, 유전 파괴 조건을 만족해야 합니다.

5천만 볼트의 구름에서 땅까지 거리가 16미터 정도가 되어야 하는데, 현실적으로 그렇게 낮게 떠있는 구름은 없습니다. 반대로 수백 수천 미터 높이에 떠 있는 구름에서도 방전을 할 수 없습니다.번개가 만들어지는 초기 과정에는 구름에서 땅 쪽으로 이온화된 기체들이 전도성 채널, 즉 일종의 전기줄을 만들어 땅 근처까지 내려오게 됩니다.

리더(leader)라고 하는 전도성 채널이 땅에서 16미터 높이까지 내려올 수만 있으면, 그 지점부터 땅까지는 공기의 유전 파괴 조건을 만족하게 됩니다.
구름에서 내려온 전기줄과 땅 사이에 일어나는 방전은 천 분의 일초보다 짧은 시간에 구름에 쌓인 전하를 모두 방출하게 됩니다.

 

◆ 스마트폰 전기 에너지

최신형 스마트폰의 리튬이온전지 용량이 “2000mAh”라고 하면, 이 전지의 전하량은 2000mA의 전류가 1시간(3600초) 동안 흘러 모인 양, 7200C가 됩니다. 따라서 이 전하량을 5V의 전압차로 유지하는 스마트폰에 저장된 전기에너지는 36kJ이 됩니다. 

질량 36kg 물체를 약 100m까지 들어 올리거나, 질량 3600kg 물체를 약 1m 들어 올릴 수 있는 에너지인 셈인 것이죠. 이 스마트폰 전지의 충전된 전기 에너지는 수력발전소에서 36kg의 물을 약 100m 높이 차이로 낙하시킬 때 생기는 운동에너지와 같다는 말이 되는 것입니다.

 

오늘은 우리가 편안하게 사용하고 있는 전기에너지에 대해서 알아보았는데요.
전기에너지에도 힘이 있다는 사실 알고 계셨나요?

물론 생활 속에서 전기에너지를 물리적인 힘으로 바꿔 사용할 일은 많이 없지만요.일상생활 속에서 전기가 눈에 보이지 않아서 소중함을 잘 못 느끼는 경우가 많은데요. 눈에 보이지는 않지만 분명히 존재는 에너지임에는 분명합니다.

다시 한번 전기의 소중함을 느껴보는 계기가 되었으면 좋겠습니다. 다음 시간에는 더욱 재미있는 에너지 이야기로 돌아오겠습니다.

 

블로그지기

0

댓글 남기기

블로그지기
블로그지기
한수원의 생생한 소식과 한수원사람들의 이야기를 전합니다
목록