1단원 전기가 뭐야?

① 전자와 전류 — 줄 서 있는 구슬들

모든 물건은 원자라는 아주아주 작은 알갱이로 되어 있어요. 원자 안에는 (+)전기를 가진 핵과 그 주위를 도는 (−)전기를 가진 전자가 있어요. 전선 같은 금속 속에서는 전자가 비교적 자유롭게 움직일 수 있어요.

구슬 튜브 비유 전선은 구슬이 꽉 차 있는 긴 튜브예요. 한쪽 끝에서 구슬 하나를 밀어 넣으면, 반대쪽 끝에서 바로 구슬 하나가 튀어나와요. 그래서 스위치를 켜는 순간 멀리 있는 전구도 곧바로 켜지는 거예요. 구슬 하나하나는 천천히 움직이지만, "미는 힘"은 빛처럼 빨리 전달돼요!

구슬 밀어보기

버튼을 누르면 건전지가 전자(구슬)를 밀어요. 전구가 켜지는지 보세요.

전류란 이렇게 전자들이 한 방향으로 줄지어 흐르는 것을 말해요. 전류가 전구를 지나가면 전구 속 가느다란 선이 뜨거워지면서 빛이 나요.

심화: 전하와 전류의 정의 전자 1개의 전하량은 약 1.602 × 10⁻¹⁹ C(쿨롱)입니다. 전류 I는 1초 동안 도체 단면을 지나가는 전하량이에요.

I = Q / t 1 A = 1초에 1 C(약 6.24×10¹⁸개 전자)가 지나감

전자는 (−)극에서 (+)극으로 움직이지만, 관습적으로 전류의 방향은 (+)→(−)로 정했어요(전자가 발견되기 전에 정한 약속). 도체 속 전자의 실제 이동 속도(유동속도)는 초당 1 mm도 안 될 만큼 느리지만, 전기장(신호)은 거의 빛의 속도로 전달됩니다.

② 도체와 부도체 — 뻥 뚫린 길 vs 막힌 길

🛣️ 도체 (전기가 잘 통해요)

구리, 알루미늄, 철, 금, 은 같은 금속, 그리고 연필심(흑연), 소금물.

전선 속 알맹이는 구리예요.

🚧 부도체 (전기가 안 통해요)

고무, 플라스틱, 유리, 마른 나무, 종이, 공기.

전선 겉을 싸는 피복은 플라스틱이에요 — 우리 손을 지켜줘요.

물은 조심! 아주 깨끗한 물은 전기가 잘 안 통하지만, 우리가 쓰는 물이나 땀에는 소금 같은 것이 녹아 있어서 전기가 통해요. 그래서 젖은 손으로 플러그를 만지면 절대 안 돼요.

전기가 통할까? 분류 게임

물건을 하나 누르고, 알맞은 상자를 누르세요.

🛣️ 통해요 (도체)

🚧 안 통해요 (부도체)

심화: 반도체와 저항률 물질이 전기를 얼마나 잘 통하는지는 저항률 ρ(Ω·m)로 비교해요. 구리 약 1.7×10⁻⁸, 알루미늄 약 2.8×10⁻⁸, 유리 10¹⁰ 이상. 그 중간인 반도체(실리콘, 게르마늄)는 불순물을 넣거나 빛·열·전압에 따라 전도성이 바뀌어 다이오드·트랜지스터·IC의 재료가 됩니다. 금속은 온도가 오르면 저항이 커지고(정의 온도계수), 반도체는 대체로 작아져요.

③ 직류(DC)와 교류(AC)

🏞️ 직류 DC

강물처럼 한 방향으로만 흘러요.

건전지, 휴대폰 배터리, 자동차 배터리

🪚 교류 AC

톱질처럼 앞뒤로 왔다 갔다 해요.

집 콘센트 (한국은 1초에 60번 왕복 = 60Hz)

직류와 교류 모양 비교

주파수 3 번

실제 한국 전기는 1초에 60번이나 방향이 바뀌어요! 너무 빨라서 전등이 깜빡이는 게 눈에 안 보여요.

심화: 교류를 쓰는 이유와 실효값 교류는 변압기로 전압을 쉽게 바꿀 수 있어서 발전소에서 높은 전압(345kV 등)으로 멀리 보내 손실을 줄이고, 동네에서 22.9kV → 가정용 220V로 낮춥니다.

v(t) = V_m sin(2πft) , V_rms = V_m / √2한국 가정 220V는 실효값. 최댓값은 약 311V

전자기기 안에서는 어댑터(SMPS)가 교류를 직류로 바꿔(정류) 사용해요.

④ 정전기 — 전자의 이사

풍선을 머리카락에 문지르면 머리카락의 전자가 풍선으로 이사를 가요. 그러면 풍선은 (−), 머리카락은 (+)가 되어 서로 끌어당겨요. 겨울에 문고리를 잡을 때 "따끔!" 하는 것도 정전기예요.

자석 친구 규칙같은 전기끼리는 밀어내고(− 와 −), 다른 전기끼리는 끌어당겨요(+ 와 −).

풍선 문지르기

풍선을 머리 위에서 좌우로 여러 번 문질러(드래그/터치) 보세요.

0풍선으로 이사 온 전자

⑤ 전기의 여행 — 발전소에서 우리집까지

각 정거장을 눌러 보세요.

⑥ 새는 왜 전선 위에서 감전되지 않을까? 🐦

전봇대 전선에는 아주 높은 전압이 걸려 있는데, 참새는 그 위에 태연하게 앉아 있어요. 비밀은 전기는 "높이 차이(전위차)"가 있어야 흐른다는 데 있어요. 새의 두 발은 같은 전선을 잡고 있어서 두 발의 전기 높이가 거의 똑같아요. 높이 차이가 없으니 전기가 굳이 새의 몸을 지나갈 이유가 없는 거예요.

평평한 운동장과 미끄럼틀 물은 높은 곳에서 낮은 곳으로만 흘러요. 평평한 운동장에 물을 부으면 어디로도 세차게 흐르지 않죠? 새가 한 전선 위에 앉은 건 평평한 운동장 위에 서 있는 것과 같아요. 그런데 한 발은 높은 곳(전선), 다른 발은 낮은 곳(땅이나 다른 전선)에 두면 그 사이가 미끄럼틀이 되어 전기가 몸을 타고 쏟아져 내려가요. 그게 바로 감전이에요.

누가 위험할까? 전류 길 찾기

상황을 골라 보세요. 빨간 선이 전기가 몸을 지나가는 길이에요.

≈ 0 V몸 양쪽 전위차

전선 속전류가 가는 길

감전의 크기를 정하는 세 가지

💧 전류의 크기

몸을 지나가는 전류가 클수록 위험해요. 몸의 저항이 작을수록(젖은 손, 땀) 같은 전압에서도 전류가 훨씬 커져요.

🧭 지나가는 길

손에서 손으로, 손에서 발로 가면서 심장을 지나는 길이 가장 위험해요.

⏱️ 흐른 시간

오래 흐를수록 위험해요. 그래서 누전차단기는 눈 깜빡할 새(0.03초 안)에 전기를 끊어요.

손이 젖으면 얼마나 달라질까?

집 전기(220V)에 몸이 닿았다고 가정한 대략적인 계산이에요. 실제 몸의 저항은 사람·상황마다 크게 달라요.

44 mA몸에 흐를 수 있는 전류 I = V ÷ R

44배"찌릿" 느끼는 1mA의 몇 배?

절대 하지 말아요 ⛔ 보기만 하기 새가 괜찮다고 사람도 괜찮은 게 아니에요. 사람은 땅을 딛고 있어서 전선 하나만 만져도 "전선 → 몸 → 땅"으로 길이 생겨요. 끊어져 늘어진 전선에는 10m 이상 떨어지고 119·한전(123)에 알려요. 전봇대 근처에서 연·드론을 날리지 말아요.

심화: 전위차, 인체 저항, 통전 전류 새의 두 발 사이 전압은 V = I_선 × R_{발 사이 전선}입니다. 전선은 저항이 매우 작고 발 간격이 몇 cm라 수 mV 수준이므로, 새 몸(수 kΩ 이상)으로 분기되는 전류는 사실상 0이에요. 반면 큰 새가 상과 상, 또는 상과 접지된 금속(완금·전주)에 동시에 닿으면 선간·대지 전압이 그대로 걸려 정전 사고의 원인이 되기도 해요.

I_body = V_touch / (R_skin + R_internal + R_contact)내부 저항은 대략 수백 Ω, 피부 저항은 건조·습윤에 따라 크게 달라짐

상용주파 통전 전류(대략)	인체 반응
약 1 mA	찌릿함을 느끼는 정도(감지 전류)
약 10 ~ 20 mA	근육이 굳어 스스로 손을 떼기 어려움(이탈 한계)
수십 mA 이상	호흡 곤란, 통전 시간이 길면 심실세동 위험

위험도는 전류 × 시간 × 경로로 판단해요(IEC 60479 계열 곡선). 가정용 누전차단기가 정격감도 30 mA, 0.03초 이내 동작하도록 만들어진 이유가 여기에 있습니다. 자세한 접지·보호 이야기는 7단원에서!

⑦ 번개도 전기예요 ⛈️

번개는 하늘에서 일어나는 거대한 정전기 방전이에요. 먹구름 속에서는 얼음 알갱이와 물방울이 위아래로 마구 부딪히면서 풍선을 머리에 문지를 때처럼 전자가 이사를 가요. 보통 구름 아래쪽에 (−)가 잔뜩 모이고, 쌓인 전기가 버티지 못하면 공기를 뚫고 "번쩍!" 한꺼번에 흘러요.

번개가 지나간 길의 공기는 순식간에 수만 °C까지 뜨거워져 폭발하듯 부풀어요. 그 소리가 천둥이에요. 빛은 거의 바로 오지만 소리는 1초에 약 340m밖에 못 가서, 번쩍하고 한참 뒤에 우르릉 소리가 들려요.

하늘만 한 문고리 따끔! 겨울에 문고리를 잡으면 "따닥!" 하죠? 번개는 그 따끔이를 하늘만큼 크게 만든 거예요. 구름이 몸이고, 땅이 문고리예요.

번개는 얼마나 멀리 있을까?

번쩍하고 나서 천둥이 들릴 때까지 초를 세어 보세요.

천둥까지 10 초

3.4 km번개까지 거리 (초 × 0.34 km)

낙뢰 안전 수칙 — "30-30 규칙"

30초: 번개와 천둥 사이가 30초보다 짧으면(약 10km 이내) 바로 건물이나 자동차 안으로 대피해요.
30분: 마지막 천둥소리가 들린 뒤 30분은 기다렸다가 밖으로 나가요.
넓은 운동장·산꼭대기·물가(수영장, 바다)에서 벗어나요. 큰 나무 밑은 위험해요.
우산·낚싯대·골프채처럼 긴 물건을 높이 들지 않아요.
피할 곳이 없으면 두 발을 모으고 몸을 낮춰 쪼그려 앉아요(엎드리지는 않아요).

🏢 높은 건물 꼭대기의 피뢰침은 뾰족한 금속 막대예요. 번개를 먼저 받아서 굵은 전선으로 땅속까지 안전하게 흘려보내 건물과 사람을 지켜 줘요.

심화: 보폭전압과 자동차가 안전한 이유 낙뢰 전류(보통 수십 kA)가 땅으로 퍼지면 지면에 전위 경사가 생겨요. 두 발을 벌리고 서 있으면 두 발 사이에 보폭전압이 걸려 다리→몸→다리로 전류가 흐를 수 있어요. 발을 모으라는 것은 ⑥의 새처럼 두 접점 사이의 전위차를 줄이는 원리입니다. 금속 차체의 자동차는 전류가 겉면을 타고 흘러 안쪽을 보호(패러데이 케이지 효과)합니다. 피뢰설비는 수뢰부(피뢰침)–인하도선–접지극으로 구성되며, 설계 기준은 KS C IEC 62305 계열을 따릅니다.

전기가 뭐야? ⚡