또리's 전기이론 3. 고유저항 및 발열작용과 전력

1) 전기분해

- 전해질

물에 녹아 전해액을 만드는 물질을 전해질이라고 합니다. 황산구리(CuSO4)는 물에 녹아 양이온과 음이온으로 분리되는데, 이러한 현상을 전리라고 합니다.

CuSO4 → CU++ + SO4--

 

- 전기분해

전해액에 전류가 흘러 화학변화를 일으키는 현상을 전기분해라고 합니다.

H2O → 2H+ + O-

NaCl → Na+ + Cl-

 

CuSO4 용액의 전기분해 과정은 다음과 같습니다.

음극측 : CuSO4++ → 음극판에서 전자를 받아들여 Cu로 됩니다.

양극측 : SO4-- → 양극판에 전자를 내주고 SO4로 됩니다.

           SO4가 양극판에서 Cu를 취합니다.

           SO4 + Cu(양극판) = CuSO4

           CuSO4 → Cu++(음극) + SO4--(양극)

위 과정을 반복하여 양극의 Cu가 음극으로 이동하게 됩니다. 이 경우, 양쪽 전극에서 Cu의 질량의 증감은 균형을 이루어 전해액 중의 Cu++, SO4--의 농도에는 변함이 없게 됩니다.

 

- 패러데이의 법칙

전기분해에 관한 패러데이의 법칙 (Faraday's law)

전기분해에 의해서 석출 되는 물질의 양은 전해액을 통과한 총전기량에 비례합니다.

전기분해에 의해서 석출되는 물질의 양은 전해액을 통과한 총전기량이 같으면, 그 물질의 화학 당량에 비례합니다.

w=kQ [g]=kIt [g] 

여기서, w : 석출 된 물질의 양

          Q : 전기분해에서 통과한 전기량

           k : 1 [C]의 전기량에 의해 분해되는 물질의 양으로 그 물질의 전기화학당량(electrochemical equivalent)

 

전기화학당량 k=화학당량/96500 [g/c]

화학당량=원자량/원자가

 

2) 전지

화학, 빛, 열에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치를 전지라고 합니다.

1차 전지 : 전류를 이끌어낸 다음 역으로 전지에 전류를 공급하여도 이전상태로 되돌아가지 않는 것

2차 전지 : 충전에 의해서 이전상태로 되돌아가 재사용할 수 있는 것

 

- 전지의 원리 (볼타전지)

묽은 황산 용액에 구리(Cu)와 아연(Zn) 판을 넣으면 아연은 구리보다 이온이 되는 성질이 강하므로 전해액 중에 용해되어 양이온이 되며 아연판은 음전기를 띠게 됩니다.

Zn → Zn++ + 2e-

H2SO4 → 2H+ + SO4--

2H+ + 2e- → H2

 

이 결과 구리판은 양전기를 띠게 되고, 따라서 아연판과 구리판은 각각 음극과 양극으로 되어 그 사이에 약 1 [V]의 기전력이 발생합니다. 이것이 볼타전지입니다.

스위치 SW를 닫으면 아연판의 전자가 외부의 저항을 통하여 구리판 위의 양전기와 중화하여 전류가 흐르게 됩니다.

이때 아연은 끊임없이 묽은 황산 용액 중에 용해되어 전자를 보급하고 수소이온은 구리판에 부착되어 계속해서 전류가 흐르게 됩니다. 전해액 내에서는 SO4-- 이온이 Zn++과 결합하여 황산아연(ZnSO4)이 됩니다.

볼타전지로부터 전류를 얻게 되면 양극의 표면이 수소 기체에 의해 둘러싸이게 되는데, 이때 분극 작용이 일어나게 됩니다.

이것은 전지의 기전력을 저하시키므로 양극을 수소와 화합하기 쉬운 산화물로 씌워 수소를 H2O(물)로 만듭니다.

이와 같이 수소 기체를 제거하여 전극의 활동을 활발하게 유지시키는 물질을 감극제라고 합니다.

 

※ 국부 작용 : 전해액이나 아연 음극에 불순물이 섞이면 아연의 일부분이 용해되어 국부 방전이 발생하여 수명 단축

 

- 건전지 (1차 전지)

ㄱ. 망간 건전지 : 1차 전지로 가장 많이 사용되는 것이 망간 건전지입니다. 양극으로 탄소 막대를, 음극에는 용기를 겸한                        아연 원통을 사용합니다. 전해액은 염화암모늄 용액을 녹말과 섞어 반죽상태로 하거나 종이에 적셔 사                        용합니다. 감극제로는 이상화 망간(MnO2)을 사용합니다.

ㄴ. 태양전지 : 반도체의 성질을 이용해서 빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것이며, 차세대 에너지원으로 개발 중입                      니다. 현재 태양전지는 소형 전자시계, 전자계산기 등에 사용되고 있습니다.

ㄷ. 수은건전지 : 감극제 - 산화수은(HgO)

                     전해액 - 수산화칼륨(KOH)

                     기전력 - 1.3 [V]

ㄹ. 표준 전지 : 감극제 - 황산수은(Hg2SO4)

                  양극 - 수은(Hg)

                  음극 - 카드뮴 [Cd]

 

- 건전지 (2차 전지)

ㄱ. 납축전지 : 2차 전지의 대표적인 것으로는 납축전지가 사용됩니다. 양극으로는 이산화납(PbO2)을, 음극에는 납(Pb)을,

                  전해액으로는 묽은 황산(비중 1.23~1.26)을 사용합니다.

                  PbO2 + 2H2SO4 + Pb ↔ PbSO4 + 2H2O + PbSO4 (→ : 방전, ← : 충전)

                  방전을 함에 따라 전해액이 엷어지면 전지의 기전력이 떨어집니다.

                  일정 전류 I [A]로 t [H] 동안 방전시켜 방전한계전압에 도달 시, 용량은 다음 식으로 표시됩니다.

                  전지의 용량=I*t [Ah]=10 [Ah]

                  공칭전압 : 2.0 [V/Cell]

ㄴ. 알칼리 축전지 : 가볍고 견고하며 수명이 길지만, 값이 비싼 단점이 있습니다.

                         충방전식 : 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 ↔ 2NiOOH + 2H2O +Cd

충전용량 : 5 [Ah]

공칭전압 : 1.2 [V/Cell]

에디슨 방식과 융그너 방식이 있습니다.

 

※ 설페이션 현상

- 납축전지를 장시간 방치 시, 극판 색이 회백색으로 변하며 수소가스가 발생하고 전자의 용량 및 수명이 감소하는 현상

 

- 원인 : 불충분한 충전을 반복할 때

방전전류가 너무 클 때

방전 상태에서 장시간 방치할 때