전류의 수수께끼 '전류의 속도'

전기가 전해지는 것은 도체에 흐르는 전류 때문이라고 봅니다. 그리고 전선의 경우 도체 내의 자유전자의 흐름이 이 전류를 생성합니다.

그런데 이 도체 내부의 자유전자는 전선의 도체 재료로서 가장 일반적인 구리의 경우 1 m^3 중의 전자밀도는 8.5e28개이기 때문에 예를 들면 길이 1 m, 외경 0.5 mm의 구리선에는 1.7e22개라는 막대한 자유전자가 존재하게 됩니다. 구리는 1가의 금속이기 때문에 자유전자의 개수와 구리이온(원자)의 개수는 동일합니다.

그런데 이 구리선 안의 자유전자는 전류가 흐르지 않는 상태, 즉 전계 중에 놓여 있지 않은 경우에도 1.3e6m/S의 속도로 랜덤한 방향으로 움직이고 있습니다. 이 속도는 '페르미 속도'라고 불리며 절대온도 0도에서도 거의 변함없이 존재하는 것으로 열에너지가 아니라 양자역학의 불확정성 원리에서 유래하는데 전류는 자유전자 전체의 평균적인 흐름, 즉 편류속도(drift velocity)이기 때문에 이 상태에서는 전류는 존재하지 않습니다.

여기서 도체의 양단에 전압을 가하면 자유전자는 가해진 전계에 비례하여 가속되어 점점 빨라지지만 격자진동이나 격자결함, 불순물에 대한 충돌로 인해 전계의 방향과는 다른 방향으로 산란되어 전계 방향의 속도를 잃기 때문에 무한히 빨라지지 않고 일정한 평균속도로 떨어집니다. 즉, 충돌은 일종의 마찰력으로 작용합니다.

구리의 경우 충돌로부터 다음의 충돌까지의 시간 간격은 5.26e-45초로 자유전자의 평균 편류속도는 4.62e-3(m/s)/(V/m)가 됩니다. 즉, 길이 1m의 구리선 양단에 1V의 전압을 가했을 때 자유전자의 길이방향의 속도는 4.62mm/S라는 것입니다. 상당히 느린 것이지만 전자의 전하는 -1.6e-19C이기 때문에 이 속도에서도 방금 전의 0.5 mm의 구리선이라면 12.6A의 전류가 흐르게 됩니다. 그만큼 자유전자의 수가 많습니다.

예를 들어 LAN 배선에 자주 사용되는 '10Base-T'의 케이블 100m에 50mV의 차동전압을 가했다고 가정합니다. 도체에 가해지는 전계는 3.7e-5V/m입니다. 즉, 자유전자의 평균이동 속도는 초당 1.6e-7m에 불과합니다. 시속 0.0006m이므로 거북이라도 추월할 수 있습니다.

전기를 운반하는 것이 전류이고 그 전류가 전자의 흐름이라고 하면 이 경우 전기의 이동속도도 사람의 보행속도와 같은 것으로 사람은 매우 간단하게 LAN 배선을 통과하는 전류를 추월할 수 있기 때문에 전기는 느리다고 생각할 수밖에 없을 것 같습니다.

그러나 다른 한편으로 우리는 전화와 LAN 배선이 항공기보다 훨씬 빨리 정보를 전달하는 것을 목격합니다.

출처 참조 번역
- Wikipedia
- 電流の謎 - 電流の速さ
http://www.mogami.com/puzzle/pzl-05.html#:~:text=%E3%81%A4%E3%81%BE%E3%82%8A%E3%80%81%E8%87%AA%E7%94%B1%E9%9B%BB%E5%AD%90%E3%81%AE%E5%B9%B3%E5%9D%87,%E3%81%A7%E3%81%99%E3%81%8B%E3%82%89%E3%80%81%E4%BA%80%E3%81%A7%E3%82%82%E8%BF%BD%E3%81%84%E8%B6%8A%E3%81%9B%E3%81%BE%E3%81%99%E3%80%82