중학교 2학년 1학기 과학 - II. 전기와 자기: 1. 전기 완벽 정리

중학교 2학년 1학기 과학 - II. 전기와 자기: 1. 전기 완벽 정리 (2015 개정 교육과정 기준)

중학교 2학년 과학의 핵심 단원 중 하나인 '전기'는 우리 주변의 수많은 현상을 이해하는 기초를 제공합니다. 눈에 보이지 않지만, 우리 생활을 편리하게 해주는 전기의 정체부터 기본적인 원리까지, 체계적으로 학습하는 것이 중요합니다. 이 글에서는 중학교 2학년 1학기 과정의 '전기' 단원을 세부 내용, 핵심 요약, 그리고 시험에 자주 나오는 내용 중심으로 상세하게 정리하여 여러분의 학습을 돕고자 합니다.

 

 

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1. 세부 내용 상세 정리

 

가. 마찰 전기와 정전기

• 마찰 전기: 서로 다른 두 물체를 마찰시킬 때, 물체들이 전자를 얻거나 잃으면서 전기를 띠게 되는 현상입니다.
  • 대전: 물체가 전기를 띠는 현상.
  • 대전체: 마찰 등의 방법으로 전기를 띤 물체.
  • 대전열: 물체를 마찰했을 때 전자를 잃기 쉬운 순서대로 나열한 것 (예: 털가죽(+) > 유리 > 명주 > 나무 > 고무 > 플라스틱(-)). 대전열에서 멀리 떨어진 두 물체를 마찰할수록 더 강하게 대전됩니다. 털가죽 쪽(왼쪽)은 (+)전하를 띠기 쉽고, 플라스틱 쪽(오른쪽)은 (-)전하를 띠기 쉽습니다.
  • 전기력: 전기를 띤 두 물체 사이에 작용하는 힘. 같은 종류의 전하 사이에는 서로 밀어내는 힘(척력)이, 다른 종류의 전하 사이에는 서로 끌어당기는 힘(인력)이 작용합니다.
• 정전기 유도: 대전되지 않은 금속 물체에 대전체를 가까이 가져갔을 때, 금속 내부의 자유 전자가 이동하여 대전체와 가까운 쪽은 다른 종류의 전하가, 먼 쪽은 같은 종류의 전하가 유도되는 현상입니다.
  • 핵심: 마찰 전기와 달리 직접적인 접촉 없이 전하가 분리되는 현상입니다. 물체 전체는 여전히 중성 상태를 유지합니다.
  • 검전기: 물체의 대전 여부, 대전된 전하의 종류, 대전된 전하의 양(정도는 비교 가능)을 알아보는 기구입니다. 정전기 유도 현상을 이용합니다.
    • 원리: 대전체를 가까이 하면 금속판에는 대전체와 다른 종류의 전하가, 금속박에는 대전체와 같은 종류의 전하가 유도되어 금속박이 벌어집니다.
    • 접촉 시: 검전기에 대전체를 접촉시키면 전자가 직접 이동하여 검전기 전체가 대전체와 같은 종류의 전하로 대전됩니다.

 

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나. 전류

• 전류 (I): 전하의 흐름. 특히 도선 속 자유 전자의 이동으로 설명됩니다.
  • 전류의 방향: (+)극 → (-)극 (전자의 이동 방향과 반대)
  • 전자의 이동 방향: (-)극 → (+)극
  • 전류의 세기: 1초 동안 도선의 한 단면을 통과하는 전하의 양.
  • 단위: A (암페어), mA (밀리암페어) (1A = 1000mA)
• 전류계: 전류의 세기를 측정하는 기구.
  • 연결 방법: 회로에 직렬로 연결합니다.
  • 주의사항: (+)단자는 전지의 (+)극 쪽에, (-)단자는 전지의 (-)극 쪽에 연결합니다. 예상 전류값을 모를 때는 가장 큰 값의 (-)단자부터 연결합니다.

 

다. 전압

• 전압 (V): 전기 회로에서 전류를 흐르게 하는 능력. 전기적인 압력 또는 위치 에너지 차이로 비유할 수 있습니다. (물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯, 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전류가 흐름)
  • 전지의 역할: 펌프처럼 지속적으로 전압(전위차)을 만들어 주어 전류를 흐르게 합니다.
  • 단위: V (볼트), mV (밀리볼트) (1V = 1000mV)
• 전압계: 전압의 크기를 측정하는 기구.
  • 연결 방법: 회로에 병렬로 연결합니다. (전압을 측정하려는 구간의 양단에 연결)
  • 주의사항: (+)단자는 전지의 (+)극 쪽에, (-)단자는 전지의 (-)극 쪽에 연결합니다.

 

 

라. 저항

• 전기 저항 (R): 전기 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 정도.
  • 발생 원인: 도선 속을 이동하는 전자가 원자와 충돌하기 때문입니다. 이 충돌로 열이 발생하기도 합니다.
  • 단위: Ω (옴)
• 저항에 영향을 미치는 요인:
  • 물질의 종류: 물질마다 저항값이 다릅니다. (은 < 구리 < 금 < 알루미늄 < 철 < 니크롬선 순으로 저항이 커짐)
  • 단면적: 도선의 단면적이 넓을수록 저항은 작아집니다. (전자가 통과하기 쉬움)
  • 길이: 도선의 길이가 길수록 저항은 커집니다. (전자가 더 많이 충돌함)
  • 저항은 물질의 종류와 모양(길이, 단면적)에 의해 결정되며, 전압이나 전류의 세기와는 직접적인 관계가 없습니다.

 

 

마. 옴의 법칙

• 개념: 전기 회로에 흐르는 전류의 세기는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다는 법칙입니다.
• 수식: V = I × R (전압 = 전류 × 저항)
  • I = V / R (전류 = 전압 / 저항)
  • R = V / I (저항 = 전압 / 전류)
• 관계 그래프:
  • 전류-전압 그래프: 저항이 일정할 때, 전압과 전류는 비례 관계 (원점을 지나는 직선) → 그래프의 기울기는 1/R (저항의 역수)
  • 전류-저항 그래프: 전압이 일정할 때, 전류와 저항은 반비례 관계 (곡선)

 

 

바. 저항의 연결

• 직렬 연결: 저항 여러 개를 한 줄로 이어서 연결하는 방식.
  • 전체 저항: 각 저항의 합과 같습니다. (R_전체 = R₁ + R₂ + ...) → 저항을 연결할수록 전체 저항이 커집니다.
  • 전류: 회로 전체에 흐르는 전류의 세기는 각 저항에 흐르는 전류의 세기와 같습니다. (I_전체 = I₁ = I₂)
  • 전압: 전체 전압은 각 저항에 걸리는 전압의 합과 같습니다. (V_전체 = V₁ + V₂) → 각 저항의 크기에 비례하여 전압이 나누어 걸립니다.
  • 특징: 회로의 한 곳이 끊어지면 전체 회로에 전류가 흐르지 않습니다. (크리스마스 트리 전구 일부)
• 병렬 연결: 저항 여러 개를 서로 다른 선으로 나란하게 연결하는 방식.
  • 전체 저항: 전체 저항의 역수는 각 저항의 역수의 합과 같습니다. (1/R_전체 = 1/R₁ + 1/R₂ + ...) → 저항을 연결할수록 전체 저항이 작아집니다. (전류가 흐를 수 있는 길이 여러 개가 됨)
  • 전류: 전체 전류는 각 저항에 흐르는 전류의 합과 같습니다. (I_전체 = I₁ + I₂) → 각 저항의 크기에 반비례하여 전류가 나누어 흐릅니다.
  • 전압: 전체 전압은 각 저항에 걸리는 전압과 같습니다. (V_전체 = V₁ = V₂)
  • 특징: 하나의 저항이 끊어져도 다른 저항에는 전류가 흐릅니다. (가정의 전기 배선, 멀티탭) 가정에서 여러 전기 기구를 동시에 사용할 수 있는 이유입니다.

 

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2. 핵심 요약

1. 마찰 전기 & 정전기 유도: 마찰은 전자의 이동으로 물체가 전기를 띠는 현상, 정전기 유도는 대전체 접근 시 도체 내 전하가 분리되는 현상입니다. 전기력은 같은 전하끼리 척력, 다른 전하끼리 인력이 작용합니다.
2. 전류(I): 전하의 흐름 (전자는 (-)→(+)극, 전류는 (+)→(-)극). 단위는 A. 전류계는 직렬 연결.
3. 전압(V): 전류를 흐르게 하는 능력 (전기적 압력/위치 에너지 차). 단위는 V. 전압계는 병렬 연결.
4. 저항(R): 전류 흐름을 방해하는 정도. 단위는 Ω. 물질 종류, 길이(비례), 단면적(반비례)에 따라 달라집니다.
5. 옴의 법칙 (V=IR): 전류는 전압에 비례, 저항에 반비례합니다.
6. 저항의 직렬 연결: 전체 저항 증가 (R = R₁+R₂), 전류 일정, 전압 분배.
7. 저항의 병렬 연결: 전체 저항 감소 (1/R = 1/R₁ + 1/R₂), 전압 일정, 전류 분배. 가정의 전기 배선 방식입니다.

 

 

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3. 시험에 자주 나오는 내용 & 학습 Tip

• 마찰 전기 vs 정전기 유도 구분: 마찰은 직접 접촉 후 전자가 이동하여 물체 자체가 대전되지만, 정전기 유도는 접촉 없이 대전체 주변에서 도체 내부의 전하가 재배치(분리)되는 현상입니다. 이 차이를 명확히 이해해야 합니다.
• 전류 방향 vs 전자 이동 방향: 서로 반대 방향임을 반드시 기억해야 합니다. 시험에서 혼동을 유발하는 질문이 자주 나옵니다.
• 옴의 법칙 (V=IR) 활용 계산: 가장 기본적이면서 중요한 내용입니다. 전압, 전류, 저항 중 두 값을 알고 나머지 한 값을 구하는 계산 문제를 능숙하게 풀 수 있어야 합니다. 단위(V, A, Ω)를 정확히 사용해야 합니다.
• 저항의 직렬/병렬 연결 시 전체 저항 계산: 직렬(단순 합)과 병렬(역수의 합의 역수) 계산 방법을 정확히 숙지하고 연습해야 합니다. 특히 병렬 저항 계산 시 역수를 취하는 것을 잊지 않도록 주의합니다.
• 직렬/병렬 회로 분석: 각 연결 방식에서 전류와 전압이 어떻게 분포되는지 이해하는 것이 중요합니다.
  • 직렬: 어느 지점에서나 전류는 같고, 전압은 각 저항의 크기에 비례하여 나뉜다.
  • 병렬: 각 가지에 걸리는 전압은 같고, 전류는 각 저항의 크기에 반비례하여 나뉜다.
  • 이를 바탕으로 회로의 특정 지점에서의 전류값이나 전압값을 구하는 문제가 자주 출제됩니다.
• 저항의 영향 요인: 도선의 길이, 단면적, 물질 종류가 저항에 어떻게 영향을 미치는지 이해하고 있어야 합니다. (길이↑ → 저항↑, 단면적↑ → 저항↓)
• 가정의 전기 배선이 병렬인 이유: 각 전기 기구를 독립적으로 사용하고, 모두 동일한 전압(220V)을 공급받기 위함이라는 점을 서술형 문제로 대비해두는 것이 좋습니다.

 

 

학습 Tip:

• 눈에 보이지 않는 개념이므로, 물의 흐름(수압=전압, 물의 양=전류, 좁은 관=저항)과 비유하여 이해하면 도움이 됩니다.
• 단순 암기보다는 각 개념(전류, 전압, 저항)의 정의와 역할을 명확히 이해하고, 이들의 관계(옴의 법칙)를 파악하는 것이 중요합니다.
• 회로도를 직접 그려보고, 각 부분의 전류, 전압, 저항 값을 계산하는 연습을 충분히 하세요. 특히 직렬/병렬 혼합 회로 문제 풀이 연습이 필요합니다.
• 실험 과정을 통해 개념을 익히면 더욱 효과적입니다. (검전기 실험, 옴의 법칙 실험 등)

 

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'전기' 단원은 이후 배우게 될 '자기', '전자기 유도' 등의 내용과도 밀접하게 연관되므로 기초를 탄탄히 다지는 것이 매우 중요합니다. 꾸준한 복습과 문제 풀이를 통해 전기 전문가가 되어보세요!