【물리학 - 전자기학】 09. 전류

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전류(電流, current): 대전된 (+)전하의 흐름으로, 단위 시간 동안 흐른 전하의 양으로 정의

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그림 1. 전류의 정의 [출처: University Physics Vol 2 (Openstax), p.387]

 

 

[그림 1]과 같이 양전하가 어떤 면적 A에 대해 흐를 때, 이것은 전기적 흐름으로 해석되고 전류는 단면을 통과하는 전하의 시간당 흐름률로 정의된다.

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평균 전류

 

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<물리량>

• ΔQ: 시간 Δt동안 어떤 단면을 통과한 전하의 양
• 단위: 전류 I의 단위는 1A(암페어, Ampere)로 정의는 아래와 같다.

 

 

 

1암페어란, 1초 동안 1쿨롱의 전하가 흐른 것을 뜻한다.

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만약 Δt→0에 근접할 때 평균 전류는 순간 전류로 그 식을 고칠 수 있다.

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순간 전류

 

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전류의 방향성

 

그림 2. 전류의 방향성  [출처: University Physics Vol 2 (Openstax), p.390]

 

 

전류의 방향은 전선 내부의 전하의 종류에 따라 아래와 같이 구분한다.

1. 양전하의 이동방향과 전류의 이동방향은 서로 같다. 즉, 전류의 방향은 양전하의 이동을 전제한다.
2. 음전하의 이동방향과 전류의 이동방향은 서로 반대이다. 과학 기술이 발전함에 따라 전선을 따라 움직이는 실제 전하는 음전하로 밝혀졌으나, 아직도 전류의 방향은 양전하의 이동을 가정하기 때문에 이것에 유의한다.

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전하는 전기장이 형성됨에 따라 이동하게 되는데, [그림 2]와 같이 전류와 전기장의 방향은 같으나, 전하의 종류에 따라 실제 전하의 이동 방향은 다를 수 있다.

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전류 밀도

Current Density

 

전류는 전선을 1차원의 선으로 간주하여 전하가 흐른다고 가정한다. 하지만 전류 밀도의 개념에서는 2, 3차원의 공간을 통해 전하가 흐르는 것을 고려한다.

• 다양한 공간적 흐름 밀도로서 전류의 개념을 확장할 수 있다.

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전류 밀도(current density)란, 단위 면적당 흐르는 전류의 양을 뜻한다.

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전류 밀도

 

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<물리량>

• I: 전류
• A: 면적, 제곱미터 단위로 주로 환산한다.
• 단위: 전류 밀도의 단위는 아래와 같다.

 

 

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전류 밀도 식을 통해 전체 전류 I는 다음과 같이 구할 수도 있다.

 

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미시전류모형

Microscopic Electric Current

 

그림 3. 미시전류모형  [출처: University Physics Vol 2 (Openstax), p.393]

 

 

움직이는 전하(전하운반자)의 운동을 전기적 전류현상과 연관 짓는 모형을 미시전류모형이라고 하며, [그림 3]과 같은 원통도체 내에 양전하 q가 전기장에 의해 움직인다고 하자.

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[1] 단면 넓이가 A인 원통도체 내부

• 원통도체의 길이 일부를 x라고 두었을 때, 도체 단면 넓이와 길이 x를 곱하면, 원통도체의 단위 부피가 계산된다.

 

 

[2] 단위 부피당 전하운반자 개수를 n이라 했을 때, 단위 부피 V에서의 전체 전하운반자 수 N은 아래와 같이 계산한다.

 

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[3] 각 전하당 q의 전하량을 가지므로 N개의 전하가 가진 전하량 ΔQ는 다음과 같다.

 

 

 

[4] 전하운반자는 v_d라는 유동속력(drift speed)*을 갖는데, 속력 식을 통해 x를 구할 수 있다.

 

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[5] 평균 전류 식에 [과정 3]와 [과정 4]의 결과를 대입하면 미시전류모형에서의 평균 전류를 구할 수 있다.

 

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유동속력 ​ 도체가 고립된 상태에서 전위차가 0이면 도체 내의 자유전자들은 기체 분자의 운동처럼 마구잡이 운동을 한다. 이때 도체에 전위차를 가하면 이전에 마구잡이 운동을 하던 전자는 전기장과 반대 방향으로 움직이려 하는데, 금속 원자와의 충돌로 인해 지그재그 운동을 더한다면, 전자는 도체를 따라 유동속력 v_d로 움직이는 결과를 보인다.

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