전압

전압은 일정한 전기장에서 단위 전하를 한 지점에서 다른 지점으로 이동하는 데 필요한 일(에너지)로 정의된다. 이 때 필요한 일은 두 지점 사이의 전기 퍼텐셜 에너지의 차이와 같다.

전기를 띈 입자가 다른 입자들에 힘을 작용할 수 있는 공간을 전기장이라고 한다. 이 전기장에서 전기 입자들이 움직일 때 힘을 받기 때문에 이동하는 데 일이 필요하다. 이 때 필요한 일의 단위를 V(볼트)로 사용하고 1V는 다음과 같이 정의된다.

1 V = 1 J (줄, 일의 단위)/1 C(쿨롱, 전하량의 단위)

[그림 1]과 같이 전하가 분포한 모양에 따라 전기장의 모양이 다르다. 전기장의 화살표 방향은 전기장에 놓인 (+) 전하가 움직이는 방향으로 정하였다. 따라서 (+) 전하가 만드는 전기장에 (+) 전하가 놓이면 척력이 작용하여 (+) 전하에서 멀어지는 방향으로 움직이므로 밖으로 향하는 화살표로 표시를 하고 (-) 전하가 만드는 전기장에서는 인력이 작용하여 안으로 들어가는 방향으로 전기장의 방향이 표시된다. 이렇게 전기력이 작용하는 공간에 놓인 (+) 전하는 전기장에 의해 전기장의 방향으로 움직인다. 즉, 전기장이 전하를 움직이는 일을 하는 것이다. 마치 지구 표면에서 물체를 놓으면 물체가 지구 중력 퍼텐셜에 의해 지구 중심으로 낙하하는 것과 유사하다. 이와 같이 전기장에서는 위치에 따라 전기 퍼텐셜 에너지가 작용한다. 따라서 전기 퍼텐셜의 차이가 있는 두 지점 사이에서는 전하가 움직일 수 있다.

그림 1. 전기장의 유형 (출처: 한국물리학회)

[그림 2]에서 (+) 전기를 띈 곳에서 가까울수록 전기 퍼텐셜 에너지가 크다. 따라서 전압의 크기를 전기장 내 각 지점에서의 전압을 비교하면 a, b 두 지점은 전압이 같고 다른 지점에 비해 가장 큰 전압을 갖는다. d, e 지점도 전압이 같은데 다른 모든 지점에 비해 전압이 가장 작다. c 지점은 a, b의 전압보다는 작지만 d, e의 전압보다는 크다. 이를 부호로 표시하면 다음과 같다.

@@NAMATH_DISPLAY@@V_a = V_b > V_c > V_d = V_e@@NAMATH_DISPLAY@@

그림 2. 평면전하가 만드는 전기장의 위치에 따른 전기에너지 (출처: 한국물리학회)

전기회로에서 전지의 전압은 전기 퍼텐셜의 차이를 일으켜 전자의 이동을 가능하게 한다. 회로의 전압을 측정하는 데는 전압계를 사용한다. [그림 3]은 회로도에서 사용하는 전압계의 기호와 전압계의 일반적인 모습이다. 전압은 두 지점 사이의 전기 퍼텐셜의 차이이므로 두 지점을 전압계에 연결해야 측정이 가능하다.

그림 3. 전압계의 기호와 모습 (출처: 한국물리학회)