전계에 대해서

전계에 대해서

「전계」는, 「전압」이 걸려 있는 것의 주위에 반드시 발생합니다.

플라스틱 책받침를 스웨터등으로 문질러 머리에 가까이 하면 머리카락이 곤두서는 것은, 정전기에 의해서 생기는 「전계」에 의한 것입니다.

통상 (+)과 (-)의 전기가 있으면, 이 사이에 전압이 생겨 「전계」가 생깁니다.

전기적으로는 전선 등의 도체에 전압이 걸리면 그 주위에 "전계"가 발생합니다.

"전계"는 송전선 등의 전력설비뿐만 아니라 가정 전자제품 주위에서도 발생합니다.

전자계의 세기는 발생원으로부터 떨어지면 급격히 작아집니다.

"전류?자계?전자력"에서 "자계"는 도체에 전류가 흐르기 때문에 발생하지만, "전계"는 도체에 전압이 가해지는 것으로 인해 발생합니다.

도체를 흐르는 전류의 영향을 받지 않습니다.

또 "전계"는 전파가 날아가기 위해서 필수불가결한 것이므로 일단 유념해 두세요.

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전자 유도

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「전류·자계·전자력」 중에서

발전기의 원리에서 자계중에 놓여있는 도체에 힘을 가해 움직이면 그 도체에 전류가 흐르고 그 현상을 전자유도라고 함니다.

여기서 말하는 자계는 직류전류에 의해 발생한 자계로 시간변화를 하지 않는 것입니다.

그 안에서 도체를 움직이면 전류가 흐른다.

그래서 교류 전류에 의해 발생하는 자계에 대해 생각했을 때, 전류도 자계도 끊임없이 시간 변화하고 있는 것을 알 수 있을 것입니다.

자계가 시간 변화하는 중에 도체를 두면, 비록 도체가 정지하고 있어도 전압이 발생하고 전류가 흐릅니다.

자계중의 도체를 움직이지 않아도 자계가 더 움직이기(변화한다) 때문에, 상대적으로 생각해 도체가 움직인 것과 같은 결과를 얻을 수 있습니다.

교류에서 전자 유도 작용을 이용하고 있는 대표적인 것으로 '트랜스'가 있습니다.

​반도체란?

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반도체의 특성

금과 은, 구리, 알루미늄, 철 등 금속계 물질은 자주 전기를 통합니다.

이것이 바로 도체라고 부르고 반대로 전기가 통하지 않는 고무나 유리, 세라믹, 기름 등을 절연체라고 하는데 이것이 정제가 된 실리콘처럼 방향에 따라서 전기가 통하거나 통과되지 않는 그런 특성을 나타내는 물질들을 반도체라고 부릅니다.

도체는 온도가 높아지면 저항이 증가하지만(정저항), 반도체는 반대로 감소하는(부성저항) 성질이 있습니다.

현재는 게르마늄 실리콘등의 다른 갈륨비소와 인듐인등의 화합물 반도체나 최근에는 분자수준의 유기물 반도체도 연구되고 있습니다.

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반도체 속의 전자

실제로 순수한 게르마늄이나 실리콘 결정은 전자끼리 단단히 결합되어 있어 자유롭게 움직일 수 있는 전자가 거의 없습니다.

그런데 여기에 전자를 더 많이 가진 인과 같은 불순물을 미량 넣으면 결정 속을 자유롭게 움직이는 전자가 생기면서 도체 같은 성질로 변하죠.

전자를 더 많이 가진 불순물이 들어간 것을 N(negative)형 반도체라고 하고, 반대로 전자가 적은 붕소 등 불순물을 섞은 것을 P(positive)형 반도체라고 합니다.

P형 반도체에서는 전자의 대신에, 전자의 결핍한 구멍(정공)이, 마치+의 전자가 움직이는 것처럼 보입니다.

이 N형과 P형을 접합시키면 전계의 방향에 따라 전기가 흐르거나 흐르지 않는 이른바 정류작용이 나타납니다.

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트랜지스터와 증폭

벨연구소의 쇼클레가 고안한 접합트랜지스터의 이론은 N형의 반도체에 P형의 얇은 층을 만들어 넣어, 그 P형층으로 하여금 전자의 흐름을 컨트롤 하는 역할을 담당하게 하려는 것이었습니다.

만약 N형뿐이라면, 단지 전기를 통하게 하는 도체와 동일하지만, 쇼클리의 생각으로는, 거기에 바로립과 같은 허들을 만들어, 허들을 높이거나 낮추거나 해서, 전자의 흐름을 컨트롤 하려는 것이었습니다.

얇은 P 형층이 허들 역할을 하여 아주 적은 신호 전류로 그에 비례하는 출력을 얻을 수 있게 되어 있었습니다.

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반도체의 소재

게르마늄이나 실리콘만을 다루던 시기에는 반도체란 원소의 주기율표의 제14족에 속하는 극소수의 원소를 가리키기도 했습니다.

하지만 화합물 반도체나 유기물 반도체 등이 연구되면서 반도체는 어떤 특정한 원소를 가리키는 것이 아니라 반도체의 성질을 나타내는 모든 물질을 일컫는 말로 쓰이게 되었습니다.

반도체의 성질이란?

어떤 수단을 이용하는 것으로, 전자의 흐름을 자유롭게 제어할 수 있다는 것입니다.

즉, 트랜지스터의 소재가 된다면 반도체라고 불러도 좋을 것이라고 하는 것입니다.

츠쿠바대학의 시라카와 교수등 (노벨 화학상)이 발견한 도전성 폴리머나, NEC의 이이지마 박사가 발견한 카본 나노튜브등도, 반도체의 소재로서 사용할 수 있는 것이 알려져 온 세상에서 연구되고 있습니다.

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전류는 전선의 어디를 흐르고 있지?

전류는 전선(도체)을 통해서 흐르고 있는데, 전선의 어디쯤을 흐르고 있는 걸까요?

사실 직류와 교류는 흐르는 위치에 차이가 있는 것입니다.

직류에서는 전선을 둥글게 잘라 보았을 때, 그 단면을 균일하게 흐르고 있습니다.

전선의 저항값은 사용하는 금속 고유의 저항값과 단면적에 의해 결정됩니다.

그러나 고주파(교류) 전류는 아래의 '표피효과'에 의해 흐르는 장소가 전선의 표면 부근에 집중됩니다.

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표피 효과

도체에 교류를 통하고 있는 경우 주파수가 높아짐에 따라 도체에 흐르는 전류는 표면 부근에 모여 중심부만큼 흐르기 어려워집니다.

이러한 현상을 전류의 "표피효과"라고 하며, 도체의 중심부근을 흐르지 않게 되는 만큼 교류저항은 높아집니다.

또한 파출소하는 자속이 도체를 지나가고 있을 때에도 이와 같은 현상이 나타나는데, 이 경우를 자속의 표피효과라고 부릅니다.

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표피 효과의 응용

표피 효과의 응용으로 고주파 열처리를 들 수 있습니다.

열처리하려는 금속을 코일 안에 넣고 코일에 고주파 전류(주파수 수백KHz~10MHz)를 흘리면 표면만 과열되며, 이를 급랭하면 표면만 열처리되어 표면은 단단해지고 마모를 견디게 됩니다.

고주파의 전류를 다룰 때는 하나의 도선이 아닌 가느다란 도선을 묶어 사용함으로써 표피효과를 줄임과 동시에 도선의 불필요한 부분을 없애 저항의 증가를 줄일 수 있습니다.

또 고가의 케이블에서는 도선에 은이나 금의 도금을 하여 도체 표면의 손실 경감을 도모하고 있습니다.

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왜 중심 부근이 흐르기 어려워지는가?

도선에 전류를 흘려 보내면 그 직각 방향으로 동심원의 자계가 발생합니다.

이 자계의 밀도는 도체의 중심부만큼 강해지고 그 자계에 의해 전류의 흐름을 저지하는 방향의 역기전력이 발생하기 때문입니다.