전류는 전자의 속도가 아니라 전하가 지나가는 비율이다
전류는 특정 단면을 통해 전하가 얼마나 빠르게 이동하는지를 나타낸다. 도선에 전자가 존재한다는 사실만으로 전류가 있는 것은 아니다. 무작위 운동을 하는 전하가 많아도 양방향 이동이 상쇄되면 순전류는 0이다. 회로에서 중요한 것은 정한 방향으로 얼마나 많은 순전하가 통과하는지다. 이 관점을 잡으면 전류의 부호, 전자 이동, 교류의 의미가 자연스럽게 연결된다.
암페어는 초당 쿨롱이다
정한 방향으로 지나간 누적 전하를 q(t)라 하면 순간 전류는 i(t) = dq(t)/dt다. 일정한 전류 I가 시간 Δt 동안 흐르면 이동한 전하는 Δq = IΔt다. 단위는 1 A = 1 C/s이며, 1 mA는 0.001 A다. 2 mA가 3초 동안 일정하게 흐르면 6 mC가 지나간다. 시간에 따라 전류가 달라지면 단순한 곱 대신 전류를 시간에 대해 적분해야 한다. OpenStax의 전류 정의는 이 순간값과 평균값을 구분한다.
전자의 전하량 크기는 약 1.602×10⁻¹⁹ C다. 금속 도선에서 1 mA의 순전류가 흐르는 상황은 초당 약 6.24×10¹⁵개의 전자 전하량에 해당한다. 개별 전자를 하나씩 세지 않아도 매우 큰 수의 이동을 연속적인 전류로 표현할 수 있다. 다만 이 계산은 순전하 이동량의 환산이다. 도선 속 모든 전자의 미시적인 운동을 관찰한 결과는 아니다.
전류 방향과 전자 이동 방향을 구별한다
관습적인 전류 방향은 양전하가 이동하는 방향으로 정한다. 금속의 이동 전하는 음전하를 가진 전자이므로 평균 이동 방향은 전류 방향과 반대다. 전해질에서는 양이온과 음이온이 모두 전류에 기여할 수 있다. 따라서 전류를 언제나 특정 종류의 입자 이동과 동일시하면 물질에 따라 설명이 어긋난다. 회로를 풀 때에는 먼저 가지 전류의 화살표를 임의로 정해도 된다. 계산 결과가 −2 mA라면 실제 관습적 전류가 화살표 반대 방향으로 2 mA 흐른다는 뜻이다.
전자가 전원에서 부하까지 빠르게 달려와야만 회로가 반응하는 것은 아니다. 도선에는 이미 전하 운반자가 있고, 전자기장의 변화가 배선을 따라 전달되면서 여러 위치의 전하가 반응한다. 평균 드리프트 속도와 신호 전파 속도는 다른 물리량이다. OpenStax의 금속 전도 모델은 이 구분과 I = n|q|Av_d의 관계를 다룬다. 여기서 n은 운반자 수 밀도, A는 단면적, v_d는 평균 드리프트 속도의 크기다.
같은 전류도 도선이 받는 부담은 다르다
균일한 단면을 통과하는 전류 밀도의 크기는 J = I/A이고 단위는 A/m²다. 1 A가 1 mm²의 단면을 균일하게 통과하면 J는 10⁶ A/m²다. 단면이 작아지면 같은 전류라도 전류 밀도가 커진다. 실제 허용 전류는 저항, 발열, 절연체, 방열 조건과 함께 결정되므로 전류 밀도 하나만으로 정해지지는 않는다. 회로의 전류값과 배선의 물리적 조건을 함께 봐야 하는 이유다.
직류는 보통 한 방향의 전류를 말하며, 값이 반드시 완전히 일정해야 하는 것은 아니다. 교류는 방향이 시간에 따라 바뀐다. 대칭적인 정현파는 한 주기 평균 전류가 0이지만 저항을 가열할 수 있다. 저항의 평균 발열은 실효값을 써서 P = I_rms²R로 계산한다. 피크가 √2 A인 정현파의 실효값은 1 A다. 평균값이 0이라는 이유로 에너지 전달도 0이라고 판단하면 안 된다.
전류계는 측정하려는 가지에 직렬로 넣어야 한다. 실제 계기는 내부 저항 때문에 전압 강하를 추가하고 원래 전류를 조금 바꿀 수 있다. 전압원 양단에 낮은 저항의 전류계를 바로 연결하면 큰 전류가 흐르는 별도 경로가 생긴다. 측정은 물리적인 회로 변경이라는 점을 기억해야 한다. 전류는 전하의 보존과 이동률을 나타내며, 그 값과 방향을 정확히 정하는 일이 회로 해석의 출발점이다.