[물리학-전자기학] 15. 전류 | Electric Current

​

전류(electric current)

• 대전된 (+)전하의 흐름으로 정의되는 물리량
• 전류의 본질은 전자의 흐름이다.
• 어떤 단면을 통과하는 전하의 시간 당 흐름률[그림 1]

그림 1. 전류의 정의 [출처: University Physics Volume 2, OpenStax, 2016, p.399]

 

평균전류 | Average Current

 

■

• 의미: 단위 시간 Δt당 단면 A를 통과한 전하량 ΔQ
• 전하의 흐름률이 시간에 따라 변한다면, 순간 전류 I는 Δt가 0으로 근접할 때의 평균 전류의 극한으로 정의할 수 있다.

​

순간전류 | Instantaneous Current

$I=\frac{dQ}{dt}$I=dQdt​​

■

전류의 단위는 암페어(ampere)이고, 정의는 다음과 같다.

 

​

• 1암페어의 전류란, 1쿨롱의 전하가 단면 A를 1초 동안 통과한 것과 같다.

​

어떠한 지점을 t시간 동안 통과한 총 전하량 Q는 다음과 같이 계산할 수 있다.

​

전류의 방향성[그림 2]

1. 양전하의 이동방향과 전류의 이동방향은 서로 같다. ⇒ 전류의 방향은 양전하의 이동방향과 같다.
2. 음전하의 이동방향과 전류의 이동방향은 정반대이다. ⇒ 금속도선의 경우 실제 전하의 이동은 음전하인 전자이므로 전류의 방향설정에 유의한다.

그림 2. 도선에서 전기장을 걸었을 때, 양, 음전하의 움직임 [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.842]

 

​

미시적 관점에서의 전류 모형

• 전하운반자(charge carrier): 움직이는 전하를 지칭하는 단어로 양전하와 음전하 모두 전하운반자이다.
• 미시전류모형(microscopic model of current): 전하운반자의 운동을 전기적 전류현상과 연관 짓는 모형

​

 

그림 3. 미시전류모형 [출처: Sears & Zemansky's University Physics with Modern Physics, Young & Freedman, 14th ed., 2016, p.842]

 

 

[1] 단면 넓이가 A인 원통도체[그림 3] 내의 전류를 구하자.

[2] 길이가 Δx인 도체의 일부분 ⇒ 도체의 단면 넓이와 길이를 곱하면 도체의 단위부피를 구할 수 있다.

​

ΔV=AΔx

​

[3] n: 전하 운반자의 밀도, 단위 부피당 전하 운반자의 개수 ⇒ 전하운반자의 개수 N/단위 부피

​

실제 전하운반자의 개수 N은 nAΔx로 구한다.

​

[4] 단일 전하운반자 N=1의 전하량을 q라 하면, 도체 일부분에서의 전하 ΔQ는 다음과 같다.

[5] 전하 운반자의 평균적인 이동속도는 유동속력(drift speed)이라 하며, v_d로 쓴다. 길이가 Δx인 도체의 일부분은 평균속력의 공식으로부터 새롭게 유도 가능하다.

​

[6] [과정 5]의 빨간 색 결과 식을 [과정 4]의 ΔQ식에 대입한다.

​

[7] 위의 유도과정은 '평균'에 대한 내용이므로 평균 전류 식의 ΔQ에 [과정 6]의 결과를 대입하면, 평균 전류의 새로운 식을 유도할 수 있다.

​

미시전류모형과 평균 전류

■

• 물리량

1. v_d: 유동속력, 전하 운반자의 평균 속력
2. A: 도체 전선의 넓이

​

• 도체가 고립된 상태에서 전위차가 0이면 도체 내 자유전자들은 기체분자의 운동처럼 마구잡이 운동을 한다. 만약 도체에 전위차를 가하면 이전에 마구잡이 운동을 하던 전자는 전기장과 반대 방향으로 움직이려 하는데, 금속 원자와의 충돌로 인한 지그재그 운동을 더하면, 전자는 도체를 따라 유동 속도 로 매우 느리게 움직이게 된다.
• 도체 내의 원자와 전자 간의 충돌 ⇒ 충돌로 인해 원자의 진동에너지가 증가하고, 그에 따라 도체의 온도가 증가한다.

​

전류 밀도

전류 밀도(current density)는 도선 단위 면적 당 전류의 흐름량을 나타내는 물리량이다. J라고 쓴다.

​

전류 밀도 | Current Density

■