물리학 고2 전기와 자기

전위와 전위차

Q: 새가 고압선에 앉아도 감전되지 않는 이유는 무엇인가요?

전위가 높아서 감전되는 것이 아니라 전위차가 있어야 전류가 흐르기 때문입니다. 새의 두 발은 같은 전선 위, 즉 거의 같은 전위에 있어 전위차가 거의 0입니다. 한 발을 옆 전선이나 땅에 대는 순간 큰 전위차가 생겨 전류가 흐릅니다.

단위 전하당 전기 퍼텐셜 에너지인 전위(V)와 전위차(전압)를 정의하고 전기 회로에 적용한다. (12물리02-01)

전위

V

는 그 자리에 놓인 단위 전하가 갖는 전기 퍼텐셜 에너지(

V = U / q

, 단위

V = J/C

)이고, 두 지점의 전위 차이를 전위차 또는 전압이라고 합니다.

전위는 '전기적인 높이'입니다. 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯, (+)전하는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 밀려납니다. 전압은 그 높이 차이고, 높이 차가 있어야 흐름이 생깁니다.

쉽게 말하면

전하와 전기장은 전기 현상을 '힘'으로 봤습니다. 전위는 같은 현상을 '에너지'로 봅니다. 힘은 벡터라 방향까지 챙겨야 하지만 에너지는 스칼라라서 그냥 더하면 됩니다 — 전하가 여러 개일 때 전위 쪽이 훨씬 다루기 쉬운 이유입니다.

전하 $q$ 를 전기장 안에서 옮기려면 일을 해야 합니다. 그 일이 전하에 저장된 것이 전기 퍼텐셜 에너지 $U$ 이고, 이것을 전하량으로 나눠 '전하와 무관한 그 자리의 성질'로 만든 것이 전위입니다.

$V = \frac{U}{q}, W = q V_{A B} = q (V_{A} - V_{B})$

균일한 전기장에서는 두 관점이 아주 간단히 이어집니다. 극판 사이 거리가 $d$ 일 때 $V = E d$ 이고, 이는 전기장의 단위를 $V/m$ 로도 쓸 수 있다는 뜻입니다. 점전하 하나가 만드는 전위는 $V = k Q / r$ 인데, 전기장이 $1/ r^{2}$ 인 데 반해 전위는 $1/ r$ 로 더 천천히 줄어듭니다.

전위차가 회로에서 하는 역할이 바로 전류·저항·옴 법칙의 출발점이고, 전하를 모아 두는 축전기도 $C = Q / V$ 로 전위차 위에 세워집니다. 생물에서 신경세포가 안팎의 이온 농도를 다르게 유지해 만드는 휴지 전위, 화학에서 반쪽 전지의 힘을 재는 표준 환원 전위도 모두 같은 '단위 전하당 에너지'입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

$1.5 V$ 전지가 하는 일

$W = q V = (1 C) (1.5 V) = 1.5 J$

' $1.5 V$ '라는 표시는 $1 C$ 의 전하를 (−)극에서 (+)극으로 퍼 올릴 때 전지가 $1.5 J$ 의 일을 해 준다는 뜻입니다. 전압은 에너지 자체가 아니라 전하 1개당 에너지입니다.
예시 2

평행판 사이의 균일한 전기장

$E = \frac{V}{d} = \frac{100 V}{0.02 m} = 5000 V/m$

같은 전압이라도 판을 가깝게 붙일수록 전기장이 세집니다. 축전기의 극판을 얇게 띄우는 이유이자, 공기가 절연을 못 버티고 방전(스파크)이 일어나는 이유입니다.
예시 3

전기장이 0인데 전위는 0이 아닌 곳

같은 크기의 (+)전하 두 개를 떨어뜨려 놓고 정확히 중점을 보면, 두 전기장이 크기가 같고 방향이 반대라 상쇄되어 $E = 0$ 입니다. 하지만 전위는 스칼라 합이라 두 값이 더해져 $V \neq = 0$ 입니다. 힘은 안 받지만 에너지는 갖고 있는 자리입니다.

자주 하는 오해

전기장이 0이면 전위도 0이라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움

E = 0

인 지점은

V = 0

이다 (그리고 그 반대도)

실제로는둘은 독립입니다.

E = 0

이지만

V \neq = 0

인 곳도,

V = 0

이지만

E \neq = 0

인 곳도 있습니다.

전기장은 전위의 변화율(기울기)입니다. 등산로가 평평하면 기울기는 0이지만 고도는 여전히 1000 m일 수 있죠. 반대로 크기가 같은 (+), (−) 전하의 중점에서는 전위가 0(스칼라 합이 상쇄)이지만 두 전기장이 같은 방향을 향해 더해져

E

는 최대가 됩니다.

전위가 높은 곳은 어떤 전하든 퍼텐셜 에너지가 높다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움전위가 높은 자리에 놓인 전자는 퍼텐셜 에너지도 높다

실제로는

U = q V

이므로,

q

가 음수인 전자는 전위가 높은 곳에서 퍼텐셜 에너지가 낮습니다.

전위는 (+)전하를 기준으로 정의된 값입니다. 음전하에게는 부호가 뒤집혀, 전자는 저절로 전위가 높은 쪽(=전지의 + 단자 쪽)으로 끌려갑니다. 회로에서 전류의 방향과 전자의 이동 방향이 반대인 이유가 여기 있습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

전기력선과 가우스 법칙고2 전하와 전기장고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

전류·저항·옴 법칙고2 축전기고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

탈분극과 재분극고2 휴지 전위고2 표준 환원 전위고3

같은 단원의 개념 — 전기와 자기

교류와 변압기고2 렌츠 법칙고2 앙페르 법칙고2 인덕턴스고2 자기장과 전동기고2 자성체와 자기력고2 전기력선과 가우스 법칙고2 전류·저항·옴 법칙고2 전자기 유도고2 전하와 전기장고2 직렬·병렬 회로고2 축전기고2 쿨롱 법칙고2 키르히호프 법칙고2 패러데이 법칙고2

자주 묻는 질문

Q1전압과 전위차는 다른 말인가요?

회로에서는 사실상 같은 말로 씁니다. 엄밀히 전위는 한 지점의 값이고 전위차는 두 지점의 차이인데, 전위의 기준점(0 V)은 우리가 마음대로 정하는 것이라 물리적으로 의미 있는 것은 언제나 '차이'뿐입니다.

Q20 V는 어디인가요?

약속하기 나름입니다. 회로에서는 접지(−극)를 0 V로 잡고, 점전하 문제에서는 무한히 먼 곳을 0 V로 잡는 것이 관례입니다. 기준을 바꿔도 두 지점의 차이는 변하지 않으므로 답은 같습니다.

Q3새가 고압선에 앉아도 감전되지 않는 이유는 무엇인가요?

전위가 높아서 감전되는 것이 아니라 전위차가 있어야 전류가 흐르기 때문입니다. 새의 두 발은 같은 전선 위, 즉 거의 같은 전위에 있어 전위차가 거의 0입니다. 한 발을 옆 전선이나 땅에 대는 순간 큰 전위차가 생겨 전류가 흐릅니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 물리학 · 전기와 자기 수록 기본 (교육과정 단원)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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전위차가 생기면 전하가 실제로 흐르기 시작합니다. 전류·저항·옴 법칙에서 그 흐름을 다룹니다.

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