기전력(cell potential / electromotive force)

[요약] 전자에 운동에너지를 공급하여 회로에 전류를 계속 흐르게 유지시키는 능력을 말한다.

전자에 운동에너지를 공급하여 회로에 전류를 계속 흐르게 유지시키는 능력을 말한다. 전위(electric potential)가 다른 2점간에서는 전위가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류를 이동시키려는 힘이 작용한다. 이러한 힘을 기전력이라 한다. 약어로 EMF 또는 emf로 나타낸다. 기전력은 힘이 아니고 단위 전하당 한 일의 양이다. 예를 들면, 기전력이 1.5V인 건전지는 이를 통과하는 1C의 전하에 1.5J의 일을 해 준다. 따라서 기전력의 단위는 전위와 같은 V(볼트)이다. 기전력은 발전기나 전지 등에 존재한다. 어떤 기준점에서 전기의 위치를 전위라 하고 상대적인 차이를 전위차라 한다.

화학기전력에서는 에너지원으로 전지를 이용하는데 전지의 전극 부근에는 전하가 분포하여 정전기장을 만들어내고 있는데, 전위는 양극에서 가장 높고 음극에서 가장 낮다. 이때 전기장을 약화시키고 일정한 전위차를 유지하도록 하는 것이 기전력이다. 전자기유도 기전력은 단위전하가 회로를 일주하는 동안에 유도전기장이 하는 일이다. 이 밖에 열기전력, 광기전력, 피에조기전력 등이 있으며 형태는 달라도 전하에 에너지를 주는 에너지원이 있다.

회로의 미소 요소를 ds, 전기장 E의 회로 방향 성분을 Es라고 할 때, ∫Esds로 정의되는 것. EMF라고 약칭한다. 전위의 차원을 가지므로 기전압이라고 할 수도 있다. 폐회로 전체에 관한 기전력은 ∮Esds가 되지만, 전지의 극이나 종류가 다른 금속의 접촉면에서처럼 전위가 불연속에 가깝게 변동하는 부분은 적분에서 제외한다. 정류전류의 경우는 옴의 법칙에 따라 기전력은 회로 각 부분의 전류의 세기 I와 저항 R의 곱의 합이 된다. 정류전류가 아니라도 변위전류가 전도전류나 대류전류에 대해 무시할 수 있는 경우에는 근사적으로 기전력은 ∑RiIi로 표시할 수 있다. 정전기장뿐일 때는 폐회로의 기전력은 0이다. 기전력에는 전자기유도에 의한 것, 열기전력, 광천지의 광기전력, 전지의 화학기전력 등이 있다.

전자기유도에 의한 기전력은 패러디의 전자기유도의 법칙에 따라 기전력라는 형으로 정해진다. S는 회로를 둘레로 하는 임의 곡면이고, Bn은 S를 관통하는 자기유도의 S에 수직의 성분, 가우스단위계에서 c는 광속도, MKSA단위계에서는 c=1이다. 전류 자체가 원인이 되어 그 전류를 줄이려는 기전력도 전자기유도에 의한 것인데, 이것을 역기전력이라 한다. 전지, 발전기 등의 기전력은 부하를 붙이지 않는 개회로의 경우 단자 사이의 전위차를 가리킨다.

회로의 일부가 움직이는 경우에는 움직이는 회로에 대한 기전력도 생각할 수 있다. 이것은 전기장의 세기 E 대신 F=E+[v, B]/c를 써서, 기전력을 ∮Fsds로 정의한다. 여기서 v는 ds 부분의 속도이다. 전자기유도의 법칙은 기전력_2인데, 우변은 회로의 운동에 따른 넓이의 변동하는 영향도 포함하고 있다.