전구와 전지란 무엇인가

앞선 포스팅에서는 어린 시절의 꼬마전구 실험을 우리 기억에서 다시 소환하였습니다.
당시에는 무작정 답을 외워서 대답하였다면, 이제는 일반적인 물리 지식과 연관 지어 생각해 보면 좋을 것 같습니다.
그러면 먼저 전구와 전지란 어떤 것인지 그 성질을 알기 쉽게 살펴보는 것에서 시작을 하겠습니다.

전구는 빛을 내는 소자입니다. 오른쪽에 있는 그림은 전구의 일반적인 회로 기호입니다.

왼쪽은 실제 꼬마전구의 사진, 오른쪽은 이것을 회로기호로 나타낸 것입니다.

전구에 전기를 연결하면 빛을 냅니다. 전구의 내부의 필라멘트(Filament)에서 전기에너지를 빛 에너지로 바꾸게 됩니다. 이 필라멘트는 전기를 소모하여 전기의 흐름을 방해하는 저항(Resistance)이라는 것을 가지는데, 이 저항에 의해서 전구는 전기를 소모하고 그 소모된 전기를 빛으로 나타나게 하는 것입니다. 이때, 저항에 의하여 조절된 전기의 흐름을 전류(Current)라고 합니다. 수도꼭지를 잠그거나 열었을 때, 물줄기가 달라지는 것과 같다고 생각하면 됩니다. 이때 수도꼭지가 물의 흐름에 저항을 주어서 물줄기를 조절하는 것과 같습니다.
그런데, 이 때 소모된 전기는 모두가 빛으로 바뀌지는 않습니다. 오랫동안 켜 놓은 전구를 만져 보면 뜨거워지는 것을 느낄 수 있습니다. 빛 에너지로 바꾸는 것과 동시에 열에너지로도 바꾼 것입니다. 내 입장에서는 열은 원한 것이 아니었기 때문에 내가 공급한 에너지 중에서 열로 바뀐 것은 손실(Loss)입니다. 그래서 공급된 에너지 중 내가 원하는 형태의 에너지로 얼마나 변환되었느냐를 효율(Efficiency)라고 부르게 됩니다. 효율이 좋은 전구는 같은 에너지를 소모해서 더 밝고 뜨겁지 않겠지요. 여기서 중요한 것은 전구는 에너지를 소모하는 저항을 가진다라는 것입니다.

전지는 전하라는 전기를 띤 입자를 잔뜩 담고 있는 통이라고 생각하면 됩니다.

주변에서 자주 볼 수 있는 전지의 모습입니다.

(+) 전기를 띤 전하는 흔히 말하는 양(+)극에서 나와 닫힌 회로를 한 바퀴 돌고 음(-)극으로 돌라갑니다. 돌아간다고 해서 다시 나오는 것이 아니라 여기에서 모두 소진된다라고 생각하세요. 보통 전지는 전압이라고 불리는 값에 의해서 그 특성을 부여합니다. 1.5V(Volt; /볼트/라고 읽습니다) 전지, 3V 전지 이런 식으로요. 여기에서 Volt는 전압(Voltage)의 단위입니다. 수도관에서 물이 얼마나 세게 밖으로 밀고 나오려고 하느냐 하는 것을 수압이라고 하지요? 전압도 같은 원리로 생각하면 됩니다. 전지가 가지는 에너지는 전압과 비례합니다. 전압이 높으면 같은 개수의 전하 알갱이로 더 높은 에너지를 가지고 있다고 할 수 있습니다.
전지는 회로에 전압을 공급하는 전압원(Voltage Source)의 역할로 생각할 수 있습니다.

전지는 회로도에서 왼쪽의 그림과 같이 나타냅니다. 회로를 해석할 때에는 오른쪽과 같은 모델이 됩니다.

전지의 기호는 위와 같이 나타냅니다. 양(+)극은 길게, 음(-)극은 짧게.
중학교나 고등학교 물리 시간쯤 되면, 이것을 오른쪽과 같이 이상적인 전압원(Ideal Voltage Source)과 내부저항(Internal Resistance)으로 표시하는 것을 보는 경우도 있을 것입니다. 내부 저항이라는 것이 도대체 뭘까에 대해서는 아마도 다음에 이야기할 기회가 있을 것입니다.

전기/전자뿐만 아니라 물리학을 이용하는 모든 공학의 시작은 각 소자의 특성을 이해하는 데에서 시작합니다. 전구와 전지가 어떤 것인지 어렴풋하게라도 그려진다면 좀 더 앞으로 나아가 봅시다.다. 전구와 전지가 어떤 것인지 어렴풋하게라도 그려진다면 좀 더 앞으로 나아가 봅시다.