전기기사 이론 3장 – 전위(V)와 전위차, 전압이란 무엇인가?

전기기사 이론에서 전하와 전기장 개념을 이해했다면 이제 자연스럽게 등장하는 개념이 바로 전위(電位, Electric Potential)이다. 전위는 단순히 전압이라고 생각하기 쉽지만, 전압은 전위차의 다른 표현일 뿐이며 전위 자체는 공간의 에너지 상태를 표현하는 물리량이다.

 

 

전위의 개념을 이해하게 되면 전압이라는 것이 얼마나 자연스러운 개념인지, 그리고 왜 회로에서 전압을 기준으로 전류가 흐르는지를 깊이 있게 이해할 수 있게 된다. 모든 전기 현상은 결국 에너지의 이동과 변화로 설명할 수 있는데, 전위는 바로 그 에너지의 높낮이를 숫자로 나타낸 것이라고 할 수 있다. 예를 들어 높은 곳에 물을 담아두면 아래쪽으로 흘러내리는 것처럼, 전기에서도 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 전하가 이동하려는 성질이 나타난다. 그래서 전위는 물의 높이, 혹은 중력 위치에너지와 같은 개념으로 비교하면 훨씬 쉽게 이해된다.

 

전위(V)는 한 지점이 가진 전기적 ‘에너지의 높이’를 의미하며, 단위 전하가 그 지점에서 가지는 퍼텐셜 에너지를 나타낸다. 공식으로 표현하면 V = W / q, 즉 어떤 지점에서 전하 q가 갖는 위치에너지 W를 q로 나눈 값이 전위이다. 결국 전위란 해당 위치가 전하를 얼마나 움직이게 만들 수 있는지를 나타내는 능력치라고 할 수 있다. 이때 중요한 점은 전위는 절대적 값처럼 보이지만 사실은 기준점에 따라 얼마든지 달라질 수 있다는 점이다. 우리가 해수면을 0m로 두고 산의 높낮이를 측정하는 것처럼, 전위도 기준점을 정해야만 의미가 생긴다. 이 기준점이 바로 ‘기준전위’, 즉 접지(Ground)다. 접지를 0V로 정하고 다른 지점이 그보다 높은지, 낮은지를 비교한다. 이렇게 비교해서 얻는 값이 바로 전위차이며, 우리가 흔히 말하는 전압(Voltage)이 된다. 그래서 전압은 두 지점 사이의 전위의 차이를 뜻하며, 이는 결국 두 지점 사이에 전하가 이동할 수 있는 ‘에너지의 경사도’를 나타낸다. 급경사면에서 물이 빠르게 흘러가듯, 전위차가 크면 전류가 더 잘 흐르는 것이다. 전기장과 전위의 관계도 매우 깊다. 전기장이 공간에서 전하를 실제로 밀고 끌어당기는 ‘힘’을 나타낸다면, 전위는 그 힘이 생겨나는 ‘에너지의 지형’을 나타낸다. 전기장이 물의 흐름과 같은 개념이라면 전위는 물의 높낮이에 해당한다고 볼 수 있다. 이 둘은 수학적으로도 연결되는데, 전기장은 전위의 기울기(차이)에서 형성되며 E = -dV/dx 라는 관계식을 가진다. 이는 전기장이 전위가 낮아지는 방향으로 작용하고, 그 크기는 전위가 얼마나 급격하게 변화하느냐에 따라 정해진다는 뜻이다. 이 공식은 시험에서도 직접적으로 자주 등장하니 자연스럽게 기억해두면 좋다.

 

전위를 이해하는 데 흔히 등장하는 예가 바로 건전지다. 건전지의 +극은 높은 전위를 가지고 있고, -극은 낮은 전위를 가진다. 그래서 두 극 사이에 전위차가 형성되고, 그 차이가 1.5V, 3V처럼 표시된다. 이 전위차가 존재하기 때문에 전기가 흐르고 회로 내부에서 일도 할 수 있게 되는 것이다. 만약 두 극의 전위가 같다면 아무 일도 일어나지 않으며 전류도 흐르지 않는다. 즉, 전기 회로의 모든 동작은 결국 전위차가 만들어내는 에너지 흐름에서 시작된다. 전위 개념을 더 깊게 이해하기 위해서는 ‘전위는 에너지 개념’이라는 점을 반복해서 떠올려야 한다. 시험에서 전위 문제는 대부분 에너지 개념과 연결되어 출제되며, 특히 전기장 안에서의 전위 변화나 전하가 이동할 때의 일(W)을 계산하는 문제가 대표적이다. 예를 들어 전기장 E가 일정한 공간에서 거리 d만큼 이동하면 전위차는 V = E × d 로 단순하게 계산된다. 이것은 마치 일정한 경사에서 일정 거리만큼 내려가면 그만큼 높이가 줄어든다는 계산과 완전히 같다. 이런 식의 계산은 실제 공학에서도 많이 쓰이며, 전력계통이나 회로해석에서도 기본 개념으로 이어진다. 결국 전위와 전위차는 전기기사 전체 과목을 관통하는 매우 중요한 기초 개념이다. 전하가 왜 움직이는지, 전류가 왜 흐르는지, 회로 구성 요소들이 왜 전압에 따라 동작하는지를 이해하려면 반드시 전위 개념을 정확히 잡아야 한다. 단순히 숫자나 공식만 외우려 하면 힘들지만, “전위는 에너지 높이, 전위차는 에너지 차이”라고 이해하면 모든 내용이 자연스럽게 연결된다. 전위는 전하의 잠재적 에너지 상태이며, 전위차는 그 상태의 차이이자 전류가 흐르도록 만드는 원동력이다.