뱀이나 지네라면 겁이 없는 사람도 전기에 쏘이면 깜짝 놀라서 자신도 모르게 손을 움찔한다. 그것도 예기치 않은 경우, 쇼크는 크다. 같은 전기라도 1.5볼트의 건전지인 경우 감전의 위험은 없지만 가정에 들어오고 있는 100볼트의 전기는 간단히 만질 수 없다.

100볼트에서 감전돼도 죽는 일은 적겠지만, 이것이 220볼트의 삼상교류(三相交流)라면 위험은 훨씬 커진다. 그런데 고압송전선에 곧잘 새가 앉아 있지만, 아무렇지도 않다. 어째서 감전되지 않을까. 새가 송전선에 앉아 있는 것을 보면 한 가닥의 전선에 두 발을 얹고 앉아있다. 전선의 전기 저항은 매우 적기 때문에 양쪽 발 사이의 전압은 매우 낮을 수밖에 없다. 그 때문에 새의 몸을 우회해서 흐르는 전류는 극히 적어 감전되지 않는 것이다.

전기에 쏘이면 찌릿한데, 이것은 무엇 때문일까. 이렇게 찌릿한 것은 교류전압이 60㎐로 진동하고 있기 때문일까. 직류전압에 접촉해서 실험해 보았더니, 역시 교류와 마찬가지였다. 그런데 감전사의 위험률은 전압이 높을수록 크다는 것을 알 수 있다. 그렇다면 감전사란 전압에 의한 것일까 아니면 전류에 의한 것일까. 감전은 인체의 외부에서 전압이 걸려 인체의 근육이나 내장에 전류가 흘러 들어가 상해를 주는 것을 말한다.

특히 심장에 전류가 흘러 상해를 입히면 치명적인데, 이처럼 인체에 흐르는 전류의 크기가 문제인 것이다. 보통 인체에 50㎃ 이상의 전류가 흐르면 심장을 움직이고 있는 근육이 경련을 일으켜 치사할 위험성이 있다. 도표는 인체를 통과하는 전류에 의한 반응을 나타낸 것이다. 전류의 크기에 따라 이렇게 반응도 달라진다. 인체를 흐르는 전류의 크기는 옴의 법칙을 따르므로 높은 전압에 접촉할수록 큰 전류가 흐른다. 인체의 저항은 조건에 따라 다르지만, 대략 400~2000Ω 정도라고 한다. 손발이 젖어 있으면 그만큼 저항이 적어져 위험이 높아진다.

에너지 효율을 높인 전자 디바이스

특정한 티타늄 기반 금속 산화물은 페로브스카이트라고 알려진 결정 구조를 형성하여 전기 전하의 미세한 내부 불균형을 발생시킨다. 이런 불균형은 물질이 전기장에 반응하여 두 강유전 상태 사이로 바뀔 수 있게 해, 매우 빠르고 낮은 전력을 사용하는 전자기기를 가능하게 해 줄 것으로 전망된다. 

일본 RIKEN 신생 재료 과학 연구 센터의 Masashi Kawasaki와 그의 동료 연구진은 도쿄 대학의 Yusuke Kozuka와 공동 연구를 통해서 이온 액체를 사용함으로써 강유전체 물질의 성능을 전형적으로 저감하는 누수 전하를 제거할 수 있는 새로운 방법을 발견했다. 

실리콘 기반 필드 효과 트랜지스터는 현대 전자기술의 기초이다. 이런 디바이스에서 트랜지스터 접합을 통한 전류 흐름은 입력 소스 및 출력 드레인 사이의 반도체 게이트의 전자 상태를 교대로 함으로써 조절된다. 전류는 단지 전압이 반도체에 인가되었을 때만 그와 같은 디바이스에서 흐를 수 있다. 이에 비해서 강유전체 결정의 전기적 특성이 바뀔 수 있는 것은 소스와 드레인 터미널 사이의 채널 편극을 영구적으로 설정하여, 채널에 일정한 전압 없이 ‘온’ 상태로 전류가 흐를 수 있게 해준다. 이런 방법은 비휘발성 메모리 응용과 논리 회로를 위해 매우 유용하다는 것을 증명할 수 있다.

연구진이 당면한 문제는 강유전체를 최적화하는 것이었다. 

이 경우에는 바륨 티탄산염이 있다. 하나는 에피탁시얼 박막으로서 강유전체 물질의 결정질 층을 성장시킴으로 만들어진 것과 다른 하나는 상업용 벌크 결정에 기반한 것으로 만들어진 두 디바이스를 비교함으로써, 연구진은 박막 트랜지스터가 놀랍게도 그 자신의 ‘온’ 상태를 보였다고 밝혔다.

플레밍의 왼손법칙

두 토막의 레일, 알루미늄 파이프, 자석을 놓은 다음, 레일에 전류를 보내면 알루미늄 파이프는 레일 위에서 움직이기 시작한다. 이것은 알루미늄 파이프에 전류가 흐르면 자계에서 힘을 받는다는 것을 나타낸다. 

자석의 방향을 이리저리 바꾸어 가면서 알루미늄 파이프에 작용하는 힘 F의 방향을 조사해 보면, 항상 전류 I의 방향과 자계 H의 방향 사이에는 직각 관계가 있다는 것을 알 수 있다. 

이와 같이 전류와 자계와의 사이에 작용하는 힘을 전자력이라고 한다.

힘 F의 방향을 정하는데 편리한 플레밍의 왼손법칙이 있다. 왼손의 가운데손가락, 집게손가락, 엄지손가락을 서로 직각이 되게 벌리고, 가운데손가락을 전류의 방향으로, 집게손가락을 자계의 방향으로 하면 힘의 방향은 엄지손가락이 가리키는 방향이 된다. 이 법칙은 아주 편리한 법칙으로 모터의 회전 방향을 정할 때 등에 필요하다.

전류의 그림자 같은 존재, 자계

직선인 도선에 전류 I를 보내면 도선 둘레에는 동심원 모양의 원형 자계 H가 생긴다. 도선 둘레에 자침을 놓고 자계의 방향을 조사하면 자계의 방향은 오른 나사가 진행하는 방향을 전류의 방향으로 했을 때 나사를 돌리는 방향과 일치한다. 

이것이 바로 앙페르의 오른 나사 법칙이라는 것이다. 도선 둘레의 어느 점에 있어서의 자계의 세기는 전류에 비례하고, 전류에서 그 점까지의 거리에 반비례한다.

전류가 흐르면 싫든 좋든 반드시 자계가 생기는데, 이러한 현상은 전기의 가장 기본적인 성질중 하나이다. 

이것은 뒤집어 말하면 자계가 있는 곳에는 반드시 전류가 있다는 말이 된다.

또한 도선을 원형으로 해서 전류를 흘리면, 그 원형전류가 만드는 면을 관통해서 자력선이 생겨 자계가 형성된다. 이 경우 자계의 방향은 오른 나사를 전류의 방향으로 회전시켰을 때, 오른 나사의 진행방향이 된다.

도선을 원통 모양으로 촘촘히 감은 것이 코일인데 이 코일은 솔레노이드코일이라고도 한다. 여기에 전류를 흘리면 자계가 형성된다.   

코일에서도 자계의 방향은 원형 전류의 경우와 같다. 코일 내부의 자계의 세기 H는 전류 I와 코일의 단위 길이에 감은 권수 N에 비례한다. 또한 자계의 방향을 구하기 위해 오른손 법칙을 사용하기도 하는데, 이것은 매우 편리한 방법이다. 

연결방법에 따라 저항하는 힘도 변한다

실제의 회로에서는 여러 개의 저항이 복잡하게 연결되어 있는 경우가 대부분이다. 이렇게 여러 개의 저항을 연결하는 데는 직렬연결(直列連結)과 병렬연결(竝列連結)이란 두 가지 연결 방법이 있다. 이 경우 여러 개의 저항을 연결했지만 실제로는 하나의 저항과 같은 역할을 하기 때문에 이 하나의 저항으로 환산한 값을 합성저항(合成抵抗)이라고 한다.

2개의 저항을 직렬연결하면, 저항을 2개 거쳐야 하는 결과가 되어 저항이 1개일 때보다도 전류가 통하기 어렵게 된다. 따라서 합성저항의 값은 저항이 하나일 때보다도 늘어나 2개의 저항을 합한 것과 같다.

반면 2개의 저항을 병렬연결하면 하나의 전류가 양쪽으로 나뉘어 통과하는 결과가 되므로 전류의 흐름도 그만큼 쉬워진다. 그 때문에 합성저항의 값도 저항이 1개일 때보다 감소하여 두 저항의 역수의 합이 합성저항의 역수가 된다. 

오옴의 법칙

전류, 전압, 전기저항을 하나의 관계로 정립시킨 오옴의 법칙을 전지에 꼬마 전구를 연결했을 때로 가정해 설명하면 다음과 같다. 전지 1개에 전구 2개를 연결할 경우가 A, 같은 전구를 1개만 연결한 경우가 B, 그리고 전지 2개에 전구 1개를 연결한 경우를 C라고 해보자. 전기의 밝기는 당연히 A보다도 B, B보다도 C의 순서로 밝아진다. 

이러한 관계도 물의 흐름에 비유하면 이해가 빠를 것이다. 즉, 물탱크에 연결한 파이프를 타고 흐르는 물은 파이프에 걸리는 수압이 높을수록 양이 많아진다는 점이다. 만약 파이프가 가늘어서 물의 흐름에 대한 저항이 클수록 물의 양은 적어지게 되는 것이다.

도체를 흐르는 전류의 크기는 도체의 양끝에 가해진 전압에 비례하고, 그 도체의 저항에 반비례한다는 것이 바로 오옴의 법칙이다. 

1827년 독일에서 오옴(Ohm)이란 사람이 실험에 의해서 발견한 것으로, 이 법칙은 전기의 기본법칙이며 아주 중요한 법칙으로 평가되고 있다.