볼트(volt) - 전압의 단위

1.볼트(volt)란 무엇인가?

 

전위(electric potential),전압(electric potential difference), 기전력(electromotive force)의 단위로서 1볼트란 1C(쿨롱)의 전기량을 이동시키는 데 필요한 일이 1J(줄)이 되는 2점간의 전위차, 또는 1A(암페어)의 전류가 흘러 소비되는 전력이 1W(와트)가 되는 2점간의 전위차를 말한다.  또는 1옴의 저항에 1암페어의 전류를 흐르게 하는데 필요한 전위차라고 말할 수도 있다.

국제단위계(SI)의 유도단위(derived unit,기본 단위에서 유도된 물리량을 나타내는 단위)이며, 볼타전지를 발명한 이탈리아 물리학자 알레산드로 볼타(Alessandro Volta,1745–1827)의 이름에서 따온 것이다.

 

 

(출처: wikipedia)

 

 

뭔가 대단히 복잡해 보이지만 이전 포스팅을 참조하면 좀 더 이해하기 쉬울 것이다.

 

 

암페어(Ampere) - 전류의 단위

 

쿨롱(Coulomb) - 전하의 단위

 

줄(Joule) - 일(work) 또는 에너지의 단위

 

옴(Ohm) - 전기저항의 단위

 

 

 

 

 

2. 전압 (voltage)이란 무엇인가?

 

volt는 마치 voltage의 줄임말인 것 같은 느낌을 주지만 볼트(volt)는 전압(voltage)이 아니며 전압을 나타내는 단위이다. 전류의 단위가 암페어(A)인 것과 같은 이치이다.

그렇다면 전압이란 무엇일까?

위키백과에서의 정의를 보면 다음과 같다.

"전압이란 전기장 안에서 전하가 갖는 전위의 차이이다. 전기 회로에서는 회로의 두 지점 사이의 전위차를 뜻하며 전기가 흐르게 하는 원인이다"

 

(전기회로. v:전압, i:전류, R:저항 wikipedia.org)

 

 

우선 "전기 회로에서는 회로의 두 지점 사이의 전위차를 뜻하며 전기가 흐르게 하는 원인이다"라는 정의는 우리가 중고등 교과과정에서 배우는 내용이며 비교적 이해하기가 쉽다. 건전지로 연결된 전기회로에서 건전지의 양극과 음극 사이에는 전압차이가 존재하며 이로 인해서 건전지의 양 극에 도선을 연결하면 전기가 흐르는 것이다.

 

"전기장 안에서 전하가 갖는 전위의 차이이다"이라는 정의는 쉽게 와닿는 내용은 아니지만  다음과 같은 내용을 의미한다.

 

전하를 가지고 있는 전자나 양성자는 셀 수 없을 만큼 많이 존재하고 서로간에 전기력이 상호작용하고 있기 때문에 그 중에서 두 개만 골라내어 둘 간의 상호작용을 명확하게 규명하는 것은 불가능하지만 전기적 위치에너지를 이해하기 위해서 두 개의 전하만 존재한다고 가정해본다.

 

 

전기장 안에서 전하가 갖는 전위차

 

 

 

 

빨간색 원 안의 Q는 점전하(부피가 없이 전하량만 갖고 있으며 공간의 한 점에 존재하는 가상의 이론적 입자)이며 기준전하이고 E는 Q로 인해 나타나는 전기장이다.  q는 실험전하이며 q의 위치가 A에서 B로 이동했을때 q는 쿨롱의 법칙에 의해 qE의 힘을 받는다(두 전하의 곱). 그림에서 A에서 B로 이동하는데 두 개의 점선으로 표시된 것은 이동 경로는 상관없으며 계산식에 포함되지 않음을 의미한다. 이 때 B에서의 q의 위치에너지를 U라고 한다면 Q의 전위 V = U/q라는 식이 유도되며 이는 전기회로 상에서는 V = J/C로 해석될 수 있다. (이런 결론으로 이르는데 많은 식이 도출되지만 글의 단순함을 위하여 모두 제외했다. 좀 더 심도깊은 원리를 이해하고 싶은 분들은 여기👉를 참조하기 바란다.)

 

 

 

3. 에필로그

세상이 어떻게 만들어졌는지에 대한 호기심으로 공부도 할 겸 물리학에 관한 블로그 콘텐츠를 작성해가고 있는데 전압에 대한 개념을 잡는 것이 지금까지는 가장 어려웠던것 같다. 일반적으로 전압에 대한 개념을 이해시키기 위해 수압과 많이 비교를 하고 폭포수가 위에서 아래로 떨어지듯 전압도 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐른다는 비유를 많이 하지만 이런 것들이 오히려 더 이해를 어렵게 하는 것은 아닌지 생각해본다. 중력장에서 발현되는 위치에너지를 전자기장에 대입하여 이해하려 하면 쉽게 그림이 그려지지 않기 때문이다. 예를 들어, 우리가 항상 사용하는 1.5V알카라인 건전지에서 전압이 어떻게 생성되는지 폭포의 원리를 통해 그려지는가? 높은 곳에서 낮은 곳으로? 어디가 높고 어디가 낮은데? 뒤집으면? 등등등..

물론, 당연히 그런게 아니겠지라고 코웃음 치겠지만 그렇다면 어떻게 전압이 발생하는지 설명할 수 있을까?

그렇다.. 역시 물리학은 어렵다. 쉽게 설명을 하려해도 쉽게 설명이 되지 않는다. 파고들수록 어려워지기만 한다.

파인만의 말씀처럼 왜?라는 질문을 할 때에는 어디까지 이해할 수 있는지를 먼저 알아야 한다. 본인을 포함한 일반인들은 그저 "전압이란 전기 회로에서는 회로의 두 지점 사이의 전위차를 뜻하며 전기가 흐르게 하는 원인 "정도로도 충분히 납득할 수 있을 것이다.

 

 

 

 

 

4. 레퍼런스

 

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