《전기 전자 개념정리》: 전기, 전자의 기본 개념을 재미있게 배우기

앗싸! 전기.전자 개념정리 - 원리부터 개념까지 “쏙쏙”
GB기획센터 엮음, 강주원 감수 / 골든벨 / 2021년 4월

 이 책은 전기, 전자에 대한 기본 개념을 정리했다. 책의 소개에도 중고생들의 개념정리, 전기 전자에 아주 약한 사람들, 수능, 공무원, 취업시험 응시자, 문과생, 전공 연계 응용자 등으로 독자 대상이 다양하다. 무엇보다 만화로 설명하기 때문에 좀 더 쉽게 개념을 이해할 수 있다. 각 장마다 QR 코드가 있어서 궁금한 부분은 동영상을 통해서 확인할 수 있다. 

 사실 일본에는 이런 만화책이 많은데, 상대적으로 우리나라에는 교육용 만화책이 별로 많지 않다. 그런 점이 아쉬웠기 때문에 앞으로 이런 책들이 더 많이 나왔으면 한다. 도서출판 골든벨에는 이러한 교육용 만화책이 많이 나온 것 같다. 

 이 책은 그야말로 전기 전자에 대하 기본개념을 모두 정리했다. 학생들뿐만 아니라 성인들도 이 책을 통해서 전기 전자를 공부해두면 좋겠다. 무엇보다 4장에서는 우리의 생활용품에 전기 전자가 어떻게 작동하는지 설명해서 도움이 된다. 

 1장은 이것을 알면 전기가 보인다, 2장은 한 방향으로만 흐르는 직류의 전기 회로, 3장은 양방향으로 흐르는 교류의 전기 회로, 4장은 앞서 언급한 생활용품은 어떻게 작동하는가이다. 

 우선 목차만 봤을 때, 플레밍의 왼손 법칙과 오른손 법칙, 그리고 요새 핫한 2차 전지, 키르히호프의 전하량의 보존 법칙 등이 눈에 띈다. 

 “전기가 흐르는 길을 회로라고 하며, 전기가 통하는 물체를 도체라고 한다.” - p12

 우리 주변에는 전기가 통하는 도체가 있고, 통하지 않는 부도체가 있다. 불순물을 주입해서 전기를 통하게, 또는 안 통하게 만들 수 있는 반도체도 있다. 수많은 전기 코드는 전기 회로라는 도체를 통해서 전기를 흘리고 있고, 그 주위는 부도체인 플라스틱으로 감싸서 전기에 감전되는 것을 막아준다. 이것이 아주 기본적인 전기의 원리고, 우리가 일상생활에서 접하는 것이다. 

 하지만, 좀 더 깊숙이 들어가면 어떨까? 

 “소립자란 물질을 구성하는 작은 입자의 모임 중 가장 작은 단위다. 양자, 중성자도 소립자다. 소립자가 가진 전기적 성질을 전하라고 한다.” - p40  

 우리가 잘 아는 양극과 음극의 관계를 살펴보자. 사실 양극이란 존재하지 않는다. 음극인 전자만이 있는 것이고, 전자는 음의 전기가 없는 빈 구멍(정공)으로 흘러들어간다. 그러면서 전기가 흐른다. 이렇게 궤도를 벗어나는 전자를 ‘자유전자’라고 부른다. 전자는 마이너스 전하를 갖고 있기 때문에 전자가 튀어나가면서 수가 줄어든 원자는 플로스로 대전된다. 

 즉, 원자핵 궤도를 도는 전자가 튀어 나가면, 원자핵 내 양자의 개수가 더 많아져서, ‘플러스’가 되고, 반대인 경우는 전자의 수가 많기 때문에 ‘마이너스’가 된다. 특히 쉽게 떨어져나가는 자유전자를 ‘가전자’라고 일컫는다. 예를 들어서 구리의 경우, 가전자는 1개만 있어서 언제든지 원자핵에서 떨어져나갈 수 있기 때문에, 도체로 많이 사용된다. 

 “전류의 흐름과 전자의 흐름은 반대다. 사실은 전류가 플러스극에서 마이너스 극으로 흐른다는 개념은 전기의 정체가 자유전자의 흐름이라는 것을 알기 전에 사람이 정한 규칙이다.” - p47 

 학창시절 공식처럼 외웠던 것이다. 전류와 전자의 흐름은 반대다. 그런데, 그것이 단순한 무지로 인해서 전류가 양극에서 음극으로 흐른다고 정한 규칙이라는 것은 몰랐다. 조금 허무한 결말이지만, 그래도 이는 규칙으로 굳어졌다. 

 이 외에 자력, 플레밍의 왼손 법칙, 오른손 법칙, 옴의 법칙, 키르히호프의 법칙, 인덕턴스, 콘덴서, 반도체 등은 상식선에서 알면 된다. 학생들은 여기에 대한 개념을 명확하게 잡아야겠지만, 이와 관련된 분야에 있지 않은 성인들은 굳이 알 필요는 없는 내용이다. 

 하지만 기본이 되는 용어를 알면 도움이 된다. 전류의 크기는 암페어로, 1초 동안 도선 안을 통과한 전하의 양이다. 1암페어의 전류가 1초 동안에 운반하는 전하량을 1쿨롱(C)이라고 한다. 물 1g을 1도 올리는데 필요한 열에너지는 1cal(칼로리)다. 이와 연관해서 자유전자와 부딪친 원자는 충돌 충격으로 인해서 진동하고, 이 때 발생하는 열을 줄열(Joule열)이라고 하고, 줄[J]로 표시한다.

 “발열량[J] = 전압[V] x 전류[A] x 시간[초]” - p58 

 줄열이 중요한 이유는 우리 일상생활에서 이러한 원리를 많이 사용하는 제품이 있기 때문이다. 예를 들어서 전기스토브, 다리미, 드라이어, 오븐 토스터가 대표적이다. 즉, 전열선의 전기 저항을 이용해서 전기 에너지를 열에너지로 바꾸는 것이 기본 원리다. 특히 전열선은 전기 저항을 크게 하기 위해서 코일 형태로 감겨있다. 

 마지막으로 실생활에서 알아야 할 부분은 ‘전력’이다. 전력은 전기가 하는 작업량을 일컫는다. 그렇기 때문에 전력이 클수록 더 많은 전기 에너지를 다른 에너지로 변환할 수 있다. 100W 전구가 10W 전구보다 훨씬 밝지만, 그만큼 전력을 10배 사용한다는 말도 된다. 우리가 전기제품에서 소비전력을 확인했을 때, 정격전압, 정격소비전력이 100V, 1000W 등을 통해서 전력 소모량을 알 수 있다. 

 “전력[W] = 전압[V] x 전류[A]” - p61 

 특히 ‘전력량’은 전력에 시간을 곱한 것을 와트시[Wh]라고 하고, 1초 동안 사용량은 [Ws]라고 한다. 예를 들어서 100W의 전구를 3시간 동안 키면 100x3으로 사용 전력량은 300Wh을 의미한다. 

 이 책을 읽으면서 전기 전자의 기본 원리, 전력과 전력량, 줄열 등의 개념을 다시 한 번 확인할 수 있었다. 우리와 너무 가까운 전기 전자를 비교적 쉽게 이해할 수 있도록 만든 책이다. 만화로 되어 있어서 아이들도 흥미를 가질 것 같다. 

 - 한 줄 요약 : 자유 전자의 이동이 전기를 이루는 가장 기본이다. 

 - 생각과 실행 : 모든 물체는 원자로 이루어져있다. 원자 내에 전자의 흐름이 결국 도체, 반도체, 부도체를 만든다. 전기 전자의 기본 개념을 이해하면, 세상을 보는 눈이 조금은 달라질 것이다. 

 * 이번 서평은 출판사에서 제공받은 책으로 주관적으로 작성했습니다.