기전력 (electromotive force)

  기전력 (electromotive force)은 모터와 발전기 등에 쓰이는 아주 중요한 개념입니다. 이번 포스팅에서는 기전력에 대해 기초적인 이야기를 해볼까 합니다.

Fig 1. 균일한 자기장 영역에 놓여 있는 도선 (왼쪽), 도선을 오른쪽으로 움직일 때 단위전하에 작용되는 힘 (오른쪽).

  Fig 1은 균일한 자기장 영역 위로 지나가는 어떠한 회로의 도선 일부분을 나타낸 그림입니다. 왼쪽 그림에서는 외부에 전원 공급장치가 없어서 도선에 전류가 흐르지 않는다고 가정하겠습니다. 이때 오른쪽 그림과 같이 도선을 오른쪽으로 이동하게 되면 (도선 내부의 단위 전하들이 오른쪽으로 이동하게 되면) 로렌츠 힘(Lorentz's force)이 전하에 작용하여 단위 전하들이 아래쪽 방향으로 힘을 받아 전류가 흐릅니다. 이 상황에서 단위 전하당 작용되는 힘을 도선의 경로를 따라 회로 전체로 적분한 값을 기전력(electromotive force)이라고 합니다. 

  힘을 경로 적분했기 때문에 기전력은 힘이 아니라 volt, 즉 에너지의 단위를 가집니다. 여기서 주의 할 점은 기전력은 회로에서 전자가 갖는 에너지를 뜻하는 것이 아니라, 전자가 에너지를 갖게 끔 회로에서 만들어 준 에너지라는 점 입니다. 회로가 이상적인 경우엔 전자는 기전력 만큼의 에너지를 갖게 됩니다.

 

Fig 2. 코일을 통과하는 시간에 따라 변화하는 자기장 (자기 선속)

 

  패러데이 법칙에서도 기전력이 등장합니다. 패러데이는 코일을 통과하는 자기선속 (magnetic flux)의 시간에 따른 변화가 코일에 기전력을 유도한다는 것을 실험적으로 밝혀내었습니다. 이 유도된 기전력은 코일 내부의 자기장의 변화를 방해하기 위한 전류를 생성하기 때문에 패러데이 법칙은 렌츠의 법칙 (Lenz's law)과 떼려야 뗄 수 없는 관계에 있습니다. 전하가 코일 내부의 자기장의 변화를 방해하는 전류를 만들도록 전하에 힘이 가해지는데 이 힘의 경로에 대한 적분을 기전력이라고 합니다.

 

 

Fig 3. 배터리 방전 시 전극의 전위차에 의해 움직이는 전하

  마지막으로 배터리에서도 기전력이라는 의미가 쓰입니다. 배터리에서의 산화 환원 반응, 확산 등으로 전하는 높은 전기적 위치에너지 (electric potential)를 얻게 되어 일을 할 수 있는 에너지를 갖게 됩니다. 전하가 전기적 위치에너지를 갖게 끔 만들어 준 것이 기전력입니다. 그래서 배터리에서 내부 저항이 없다면 이상적으로 전하는 기전력 만큼 (두 전극의 전기적 위치에너지 차이)의 에너지를 갖게 됩니다. 

 

  정리하자면 위 3가지 경우 내용은 약간씩 달라도 궁극적으로 회로 내에서 전하가 에너지를 갖게 끔 만들어 준 것이 기전력이고, 이상적으로 전하는 기전력 만큼의 에너지를 갖게 됩니다 (단위 전하당 갖는 에너지 = volt).

 

끝.