- 전기를 이해하려면 도선 속 전자만이 아니라 원자 구조와 전하의 이동 가능성을 함께 봐야 함
- 원자는 양성자·중성자로 된 핵과 여러 껍질의 전자로 구성되며, 전자는 양자화된 에너지 준위 사이에서만 상태를 바꿀 수 있음
- 절연체에서는 표면 전자가 떨어져 나가거나 붙어 정전기가 생기지만, 전하가 물질 내부로 쉽게 퍼지지 못함
- 금속에서는 일부 원자가 전자가 물질 전체로 퍼진 것처럼 행동해 전하가 빠르게 평형을 이루며, 이를 전자 기체로 모델링할 수 있음
- 도선에서 전기장의 영향은 빛의 속도에 가깝게 전파되지만, 개별 전자는 구리선에서 보통 시간당 수 cm 이하로 움직여 신호 전파와 전자 이동은 다름
전기를 이해하기 위한 출발점
- 전기의 핵심 질문은 “무엇이 전기이고, 왜 어떤 물질은 전기를 전도하는가”임
- 답은 원자 속 전자, 전하, 정전기력, 그리고 물질 내부에서 전자가 움직일 수 있는지에 달려 있음
원자 구조와 전하
- 원자는 중성자와 양성자로 이루어진 원자핵, 그리고 여러 전자 껍질에 배치된 전자로 구성됨
- 보어 모형은 전자가 원자핵 주위를 원형 궤도로 돈다고 그리지만, 현대 물리에서는 전자를 고전역학적 궤적이 아니라 파동함수의 해인 오비탈로 다룸
- 전자공학에서는 오비탈의 정확한 모양보다, 각 원자나 분자가 일정한 수의 전자를 가지며 그 전자들이 여러 껍질에 조직된다는 점이 더 중요함
- 원자핵은 잔류 강한 힘으로 묶여 있으며, 지구상의 대부분 원자핵은 별의 핵융합 과정에서 형성됐고 전자공학에서 다루는 시간 범위에서는 변하지 않음
- 원자 구조에는 더 약하지만 멀리 작용하는 정전기력도 관여함
- 양성자는 항상 양전하를 띠고, 전자는 항상 음전하를 띠며, 중성자는 전하를 띠지 않음
- 같은 전하는 밀어내고 다른 전하는 끌어당기므로, 원자핵의 양성자는 같은 수의 전자를 붙잡아 순전하가 없는 안정적인 원자를 만들 수 있음
전자 껍질과 양자화
- 결합된 전자의 상태를 나타내는 매개변수는 양자화되어 있어 특정 값만 가질 수 있음
- 전자는 원자 안에서 특정 에너지 준위 사이를 건너뛸 수 있지만, 그 중간 상태에 머물 수는 없음
- 이 구조 때문에 전자 껍질은 낮은 에너지에서 높은 에너지로 나뉨
- 모든 전자가 가장 안쪽 껍질에 몰리지 않는 이유는 파울리 배타 원리 때문임
- 결합된 전자의 상태는 몇 가지 양자 매개변수로 구분됨
- 전자들은 모든 양자 매개변수가 동일한 상태를 공유할 수 없음
- 한 껍질에서 가능한 조합이 채워지면 다음 전자는 더 높은 주양자수의 껍질로 올라가야 함
절연체와 정전기
- 안쪽 껍질의 전자들은 에너지가 낮고 원자핵에 단단히 묶이며 외부 영향에서 비교적 차폐됨
- 반면 원자가 전자는 더 높은 에너지를 가지며 약하게 붙어 있어 화학 결합과 전기 현상에서 더 큰 역할을 함
- 공유 결합에서는 두 원자의 일부 전자가 새로 형성된 다원자 오비탈로 이동하고, 이온 결합에서는 하나 이상의 전자가 한 원자에서 다른 원자로 이동함
- 화학 결합이 없어도 일부 원자가 전자는 일시적으로 떨어져 나갈 수 있음
- 집에서 느끼는 약한 정전기 충격은 마찰전기 효과와 관련 있음
- 이 효과는 완전히 이해되지는 않았음
- 분자의 모양과 방향에 따라 표면마다 전자에 대한 친화도가 달라짐
- 서로 다른 두 물질이 접촉하면 일부 전자가 경계면을 넘어 무작위로 이동해 작은 불균형이 생길 수 있음
- 두 물질을 떼어내면 일부 전하 운반자가 원래 있어야 할 곳이 아닌 위치에 갇힘
- 정전기 불균형의 규모는 매우 작음
- 약 10¹¹개 전자의 이동만으로도 사람이 느낄 만한 정전기 충격이 생길 수 있음
- 소금 1온스에는 그보다 약 81조 배 많은 전자가 있음
- 고체 절연체에서는 원자가 전자가 표면에서 떨어져 나가거나 표면에 붙을 수 있지만, 생긴 전하가 물질 내부를 통해 퍼지지 못함
- 주변 분자의 전자 껍질에 적절한 빈자리가 없으면 전자가 이동하려면 더 높은 에너지 상태로 밀려 올라가야 하므로, 전하가 제자리에 머무름
금속에서의 전도
- 금속에서는 원자들이 조밀하고 균일한 격자를 이루며, 듬성듬성 채워진 오비탈들이 사실상 하나로 합쳐져 물질 전체로 확장됨
- 이 환경에서는 원자가 전자가 단일 원자핵에 결합된 전자처럼 뚜렷하게 양자화된 에너지 준위를 보이지 않음
- 원자가 전자는 금속 격자 안을 자유롭게 움직일 수 있으며, 양성자와의 정전기 상호작용은 대부분의 이동 가능한 전하 운반자를 도체 안에 가둠
- 금속 도체의 행동은 많은 경우 자유롭게 흐르는 전자 기체로 모델링될 수 있음
- 절연체와 달리 도체에서는 정전하가 빠르게 평형을 이룸
- 외부에서 도선 한쪽의 전자를 떼어내고 반대쪽에 다시 주입하면, 남은 전자들이 정전기적 반발 때문에 빠르게 재배치됨
- 이 과정이 계속되면 도선 길이를 따라 전자의 꾸준한 드리프트가 관찰됨
- 전하의 이러한 움직임이 전기 흐름임
- 도체 안 전자의 이동은 주변 공간으로 확장되는 정전기장에 의해 매개되며, 전자 부품을 동작시키거나 유용한 일을 수행하는 데 쓰일 수 있음
전기장의 전파와 전자의 실제 이동 속도
- 전하 평형 과정은 빠르지만, 개별 전자의 드리프트는 빠르지 않음
- 전기장은 진공에서의 빛의 속도에 가까운 약 300,000 km/s로 전파됨
- 구리선 안의 개별 전자는 보통 시간당 수 cm 이하의 평균 속도로 움직임
- 이는 공기 중 소리의 전파와 비슷함
- 누군가에게 소리치면, 특정 공기 분자 하나가 상대에게 도달하기 훨씬 전에 소리가 먼저 전달됨
금속 밖의 전도 방식
- 금속 도체 외에도 다른 전도 방식이 있음
- 진공에서는 열전자 방출로 열적으로 들뜬 전자가 매질 없이도 상당한 거리를 이동할 수 있음
- 플라스마와 고극성 용매에서는 전하를 띤 분자인 이온도 이동할 수 있음
- 이러한 방식들은 현대 전자회로에서 흔하지 않음