[전기]전류의 화학작용과 열작용

1. 전류의 화학 작용

(1) 전해액

 -전류가 흐르면 화학적 변화가 나타나 양이온과 음이온으로 전리되는 수용액이다.

 -전기분해 : 전해액에 전류를 흘려 화학적으로 변화를 일으키는 현상이다.

 -전리 ; 황산구리(CuSO4)처럼 물에 녹아 양이온과 음이온으로 분리되는 현상

 -전해질 : 황산구리와 같이 물에 녹아 전해액을 만드는 물질

 -전기화학당량[g/C] : 물질에 따라 정해지는 상수로 1[C]의 전기량에 의해 분해되는 물질의 양

황산구리 용액에 백금판 전극을 넣고, 전류를 흘리면 시간이 지남에 /다라 음극판은 구리 색으로 변하게 되고, 음극판은 구리가 석출되는 것을 알 수 있다. 이것은 황산구리 용액이 전류에 의하여 분해되어 구리가 석출된 것으로 이와 같은 것을 전기 분해(electroysis)라한다.

 

(2)극의 변화

 -음극 쪽

  Cu++ : 음극판에서 전자를 받아들여 Cu로 된다.

 -양극 쪽

  SO4-- : 음극판에 전자를 내주고 SO4가 되고

  SO4는 양극판으로부터 Cu를 받아들여 SO4 + Cu(양극판) = CusO4가 된다.

  CusO4 : Cu++(음극으로) + SO4--(양극으로)

위의 과정을 반복하여 양극의 Cu가 음극으로 이동한다.

 

(3)패러데이의 법칙

-전기 분해에 의해서 석출되는 물질의 양은 전해액을 통과한 총 전기량에 비례한다.

-총 전기량이 같으면 물질의 석출량은 그 물질의 화학 당량(원자량/원자가)에 비례한다.

 

2. 전지

1차 전지(primary cell) : 재충전이 불가능한 전지

2차 전지(secondary cell) : 충전이 가능한 전지

(1) 볼타전지

  -볼타전지의 원리는 묽은 황산 용액에 구리(Cu)와 아연(Zn)판을 넣으면, 아연은 구리보다 이온이 되는 성질이 강하므로 전애액 중에 용해되어 양이온이 되며, 아연판은 음전기를 띠게 된다.

Zn=Zn++ + 2e-

  -또 묽은 황산 용액은 다음 식과 같이 전리된다.

H2SO4 = 2H+ + SO4--

  -여기서 수소 이온 H+의 일부는 구리판에 부착하여 수소 기체가 된다.

2H+ + 2e- =H2

휴대와 사용에 편리하도록 용액을 종이 또는 천에 적셔 아연통에 접속시키고 MnO2을 NH4Cl의 용액으로 반죽하여 양극으로는 탄소봉을 사용한 건전지 구조의 전지가 있다. 이와 같은 전지를 건전지(dry cell)이라 한다.

 

 

(2) 건전지

  -분극 작용(polarization effect) : 볼타전지로부터 전류를 얻게 되면 양극의 표면이 수소 기체에 의해 둘러싸이게 되는 현상으로 전지의 기전력을 저하시키는 요인이 된다.

  -감극제(depolarizer) : 분극작용에 의한 기체를 제거하여 전극의 작용을 활발하게 유지시키는 산화물을 말한다.

  -국부작용 : 전지의 전극의 불순물과 전극이 하나의 전지가 되어 전지에 순환하는 전류가 생겨 기전력을 감소시키는 작용, 아연에 수은도금으로 방지

 

(3) 납축전지

묽은 황산(비중 1.2~1.3) 용액에 납(Pb)판과 이산화납(PbO2)판을 넣으면 이산화납에 (+), 납에 (-)의 약 2[V]의 전압이 나타난다. 이와 같은 전지를 납축전지(lead storage battery)라 한다.

납축전지의 용량은 충분히 충전한 다음 전류를 흘려 방전 종지 전압이 될 때까지의 전기량으로 나타내며 단위로는 [Ah]를 사용한다. 따라서 축전지의 용량 Q는 Q=IㆍH[Ah]로 나타낸다.

 

3. 허용전류

(1)허용전류

저항 R의 저항체에 전압 V를 가하여 I의 전류를 흘리면 저항체에서 소비하는 전력 P = VㆍI = I제곱R[W],이모두줄열로변화되어저항체의온도는상승한다.

이처럼 온도 상승이 지속되면 저항체는 결국 끊어지게 되어 있으므로, 저항체 표면에 어느 정도의 전류를 흘릴 수 있는가를 표시하는 경우가 있디. 이 전류를 그 저항체의 허용 전류(allowable current)라 한다. 

 

4. 열과 전기

(1)제벡 효과(Seebeek effect)

서로 다른 금속 A, B를 접속하고 접속점을 서로 다른 온도로 유지하면 기전력이 생겨 일정한 방향으로 전류 흐르는 현상

콘스탄탄, 계기, 구리

(2)펠티에 효과(Peltier effect)

서로 다른 두 종류의 금속을 접속하고 한 쪽 금속에서 다른 쪽 금속으로 전류를 흘리면 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상

비스무트, 안티몬, 냉각 / 발열

(3)톰슨 효과(Thomson effect)

도체(금속 또는 반도체)인 막대기의 양끝을 다른 온도로 유지하고 전류를 흘릴 때 줄열(Joule`s heat)이외에 발열 또는 흡열이 일어나는 현상

(4)중간 금속의 법칙(Law of intermediate metals)

열전대를 구성하는 두 금속의 한쪽 접점은 서로 접해있고, 반대편 접점은 제 3의 금속과는 연결되어 있을 떄, 두 접점이 같은 온도라면 기전력이 발생하지 않는다는 법칙이다. 제 3금속의 법칙이라고도 한다.