자유전자
자유전자는 전기의 성질과 전하에 의한 전기장 단원의 개념이다. 공개 문항 3개를 한데 묶었다.
개념 설명
물질 내에서 자유롭게 이동하는 전자
원자핵의 구속력을 벗어나서 물질 내에서 자유롭게 이동할 수 있는 전자
관련 문항 3개
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문항 1 원자핵의 구속력을 벗어나서 물질 내에서 자유로이 이동할 수 있는 것은?
정답과 해설
정답 4번
전류의 정체는 자유전자로, 원자핵의 붙잡음(구속력)을 벗어나 물질 속을 자유롭게 돌아다니는 전자다.
풀이
정답 근거: 자유전자는 원자의 최외각(가전자대)에 있어 원자핵의 구속력이 약해 외부 에너지(열, 전기장 등)를 받으면 쉽게 이탈해 물질 내부를 자유로이 이동할 수 있는 전자이며, 이것이 전류의 실체(도체 내 전도)이다.
오답 소거: 중성자·양자(양성자)는 원자핵 내부에 강하게 결합되어 있고, 분자는 원자들의 결합체로 자유로이 이동하는 개별 입자가 아니다.
핵심 공식: 없음(개념 정의 문제).
암기팁: '전류=자유전자의 이동'이라는 기본 개념을 항상 먼저 떠올린다.
처음이라면
전기가 흐른다는 건 사실 아주 작은 입자가 이동하는 거예요. 마치 유치원에서 아이들이 선생님(원자핵)의 손을 놓고 교실을 자유롭게 뛰어다니는 것처럼요!
원자(물질을 이루는 가장 작은 단위) 중심에는 원자핵이 있는데, 양성자(양전기 띤 입자)와 중성자(전기 안 띤 입자)가 꽉 붙잡혀 있어서 나올 수 없어요.
반면 전자 중에서도 원자 가장자리에 있는 것은 붙잡힘이 약해서 밖에서 열이나 전기를 가하면 훌쩍 이탈해 자유롭게 돌아다녀요. 이게 바로 '자유전자'입니다.
선택지에서 '자유'라는 말이 들어간 것이 정답!
이런 문제가 나오면 → '전기가 흐른다 = 자유전자가 이동한다'를 떠올리자.
한 걸음 더
자유전자의 정의를 묻는 개념 문제다. 자유전자는 가전자(최외각 전자)로서 원자핵의 구속력이 약해 열·전기장 등 외부 에너지에 의해 쉽게 이탈하며, 이 이동이 곧 전류이다.
① 중성자, ② 양자(양성자): 원자핵 내부에 강하게 결합되어 이탈 불가. ③ 분자: 이동하는 개별 하전 입자가 아님.
이 유형 패턴: '전류 = 자유전자의 흐름' 개념은 전기기능사 1회 단원 단골 출제 포인트.
꿀팁: 이름에 '자유'가 붙은 선택지가 있으면 정답 후보로 우선 체크.
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문항 2 빛을 많이 쬐어 줄수록 자유 전자가 증가하여 저항이 감소되는 소자는?
정답과 해설
정답 3번
빛을 받을수록 자유전자가 증가해 저항이 감소하는 광도전 소자는 CdS이다.
풀이
CdS(황화카드뮴)는 대표적인 광도전 소자로, 빛(광량)이 증가할수록 자유전자·정공 쌍이 많이 생성되어 저항이 감소하는 특성을 가진다.
조도센서(광센서), 자동점등 가로등 등에 사용된다.
IC는 집적회로, Diode는 정류·정형 소자, TRIAC은 양방향 사이리스터로 위상제어에 사용되는 소자이며 모두 광량에 따른 저항 변화 특성과는 무관하다.
처음이라면
어떤 소자는 빛에 반응해 성질이 변하는데, 이런 것을 광전 소자라고 합니다. CdS(황화카드뮴)는 대표적인 광도전 소자로, 빛을 많이 쬐면 자유전자가 많이 생겨 전류가 잘 흐르게 되고 결과적으로 저항이 줄어듭니다.
그래서 CdS는 해가 지면 자동으로 켜지는 가로등, 조도 센서(밝기 감지) 등에 쓰입니다.
나머지 보기를 확인하면: IC는 여러 부품을 한 칩에 모은 집적회로, Diode(다이오드)는 전류를 한쪽 방향으로만 흘리는 정류 소자, TRIAC은 양방향 스위칭(위상 제어) 소자로, 빛에 따라 저항이 변하는 성질과는 관계가 없습니다.
이런 문제가 나오면 → '빛 ↔ 저항 감소' 조합이 나오면 CdS(조도센서)로 답하면 된다.
한 걸음 더
빛을 받으면 전자·정공 쌍이 증가해 저항이 감소하는 광도전 소자가 CdS(조도센서, 자동점등 가로등)
IC(집적회로), Diode(정류), TRIAC(양방향 위상제어)는 광-저항 특성과 무관한 것으로 소거된다.
광 소자는 '빛이 늘면 저항이 줄어드는 소자는?' 형태로 단골 출제된다.
꿀팁: "CdS = 조도센서 = 가로등" 세 단어로 연결해 외운다.
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문항 3 ' 물질 중의 자유전자가 과잉된 상태 ' 란?
정답과 해설
정답 1번
자유전자가 과잉하면 음(-) 대전, 부족하면 양(+) 대전 상태가 된다.
처음이라면
전자는 음(-) 전하를 띤 입자입니다. 자유전자(물질 안에서 자유롭게 움직이는 전자)가 어떤 물질에 지나치게 많아지면 음(-) 전하의 총합이 커지므로, 물질 전체가 음으로 대전된 상태가 됩니다.
반대로 자유전자가 부족해지면 양(+)의 대전상태가 됩니다. 즉 '전자 과잉 = 음(-)', '전자 부족 = 양(+)'이라는 규칙 하나만 기억하면 됩니다.
③ 중성상태는 음전하와 양전하의 수가 같아 전기적으로 중립인 상태이므로 '과잉'이라는 표현과 맞지 않습니다. ④ (+)대전은 전자가 부족할 때의 상태이므로 오답입니다.
이런 문제가 나오면 → 전자 수가 늘었는지(음) 줄었는지(양)만 판단하세요.
한 걸음 더
자유전자 하나는 -1.6×10⁻¹⁹[C]의 음전하이므로, 전자가 과잉되면 전하 총합이 음(-)이 되어 음의 대전상태가 된다.
④는 전자가 '부족'한 상태이고, ③은 전자 수가 양전하와 같은 중립 상태라 '과잉'과 모순된다.
대전 상태 문제는 항상 전자의 증감을 기준으로 판단하는 유형이다.
꿀팁: '과잉은 -, 부족은 +' — 전자 기준으로 외우면 절대 헷갈리지 않는다.