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전기의 흐름은 물의 흐름과 매우 비슷하다. 그래서 흔히 물의 흐름에 비유해서 설명하는 경우가 많다.
두 개의 물탱크 A와 B를 연결해서 A에 들어 있는 물을 파이프를 통해 B로 흘려 넣는다고 하자.
파이프의 콕을 열면 수위가 높은 탱크 A로부터 수위가 낮은 탱크 B로 물이 흐른다.
그러나 물은 양쪽 탱크의 수위가 같아지면 더 이상 흐르지 않게 된다.
이처럼 물을 흐르게 하려는 힘은 A의 수위와 B의 수위차 즉 ‘수압' 때문이다.
수압이 높을수록 흐르는 물은 힘이 세고 양도 많아진다. 전기의 경우도 이와 마찬가지라고 할 수 있다.
(+)전기를 가진 금속구 A와 (-)전기를 가진 금속구 B를 도선으로 연결하면 B의 전자가 A로 이동한다.
그러나 양쪽의 전자의 양이 같아지면 전자의 이동은 중지된다.
전기의 양을 전하(電荷)라고 부르는데, 단위는 쿨롱(기호로 C)으로 표시한다.
1쿨롱은 624억의 1억 배 개의 전자의 전기량에 상당한다.
앞서의 물탱크의 비유에서 수위(水位)에 해당되는 것을 전기 쪽에서는 전위(電位)라고 한다.
그림에서 보면 금속구 A의 전위는 B의 전위보다 높아져 있다. |
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전위의 단위로는 볼트(기호는 V)가 사용된다.
물탱크에서 수위의 기준으로 삼은 것은 탱크의 밑바닥. 그러나 전위의 기준은 대지의 전위를 0볼트라고 보아서 정하고 있다. 수위 간의 차이를 수위차라 하듯이, 전위 간의 차이를 전위차, 또는 전압이라고 한다.
따라서 전위차 및 전압의 단위도 볼트이다.
물이 흐르는 양은 매초 몇 ㎥로 표시하지만 전류의 크기는 매초 몇 쿨롱의 전하가 이동했는가로 표시한다.
매초 1쿨롱의 전하가 이동할 때 이것을 1암페어(기호는 A)의 전류라고 한다.
물탱크에 있어서는 파이프의 조건도 수량(水量)에 관계된다.
파이프가 가늘면 물이 흐르기 어렵고 당연히 수량도 적어진다. 또 파이프가 길거나 파이프 안쪽이 평탄하지 않고 굴곡이 심할 경우 물의 흐름은 저항을 받아 쉽게 흐를 수 없을 것이다.
전기의 경우도 이와 비슷해서 도선의 굵기, 길이, 재질에 따라서 흐르는 전기의 양이 변한다.
이렇게 전기가 흐르기 어렵게 되는 정도를 전기저항, 또는 단순히 저항(단위는 오옴, 기호는 Ω)이라고 한다. | |
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이제는 샐러리맨 중에도 오너 드라이버가 많아졌다.
아침에 차를 몰고 출근하는 코스는 대개 정해져 있다.
회사까지 가는 길이 여러 코스가 있을 경우, 되도록 빠른 길을 택하는 것이 보통이다.
그러나 차가 밀리는 도로라면 다소 돌아가는 한이 있더라도 한가한 도로를 택하는 편이 시간단축이 될 것이다.
근무가 끝나면 다시 집으로 돌아오게 된다.
그러나 돌아가는 길은 반드시 출근할 때의 코스와 같지는 않을 것이다.
도로의 조건에 따라서 편하고 빠른 길을 택할 것이기 때문이다. 그러나 귀착점은 반드시 출발점인 자기 집이다.
이와 마찬가지로 전기도 흐르는 길이 있다.
전기를 내보내는 소스 즉 전원(電源)에서 흐르기 시작하여 도중에서 작업을 하고 다시 출발점인 전원으로 되돌아오는
것이다. 이렇게 전기가 한 바퀴 돌아서 다시 출발점으로 되돌아오는 순환회선을 루프(回路)라고 한다.
도로에는 포장된 넓은 길도 있고, 좁고 울퉁불퉁한 골목길도 있듯이, 전기에도 이와 비슷한 현상이 있다.
이것이 바로 저항(抵抗)이다.
전원에서 나온 전기는 전구나 라디오, 세탁기, 냉장고 등 전기기구를 만나 이들을 작동하게 하는 작업을 하는데,
이때 전기를 사용하여 작동하는 물체를 부하(負荷)라고 한다.
이렇게 전원에서 나와 부하를 거쳐 다시 전원으로 돌아가는 루프를 전기회로라고 한다.
전원이란 구체적으로 전지나 발전기를 의미한다.
우리는 흔히 ‘전기를 쓴다’는 식으로 표현한다. 그 때문에 전원에서 나온 전기가 전기기구를 작동시키게 되면 점점
전류가 적어져서 전원으로 돌아간다고 생각하는 사람도 있을 것이다.
그러나 전원에서 나간 전류의 크기와 전원으로 돌아오는 크기는 항상 같다.
즉 회로의 도중에서 만들어지거나 소멸하지 않는다는 것이 전류의 중요한 성질이다.
전기회로를 구성하는 요소로서 이미 전지, 저항 등이 나왔지만, 실제의 회로에는 이밖에도 스위치, 콘덴서, 코일 등
여러 가지가 있다. |
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이들을 능률적으로 나타내기 위해 회로도를 그린다. 이 회로도를 결선도(結線圖)라고도 하는데, 여기에 나오는 주요한
기호는 반드시 기억해 두는 것이 좋다. | |
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지금까지 ‘직류’라던가 ‘교류’라는 말을 많이 썼지만, 이에 대한 설명은 하지 않았다.
약간 난해하고 복잡해서 혼란이 일어날 것으로 생각했기 때문이다. 그러나 이것을 분명히 알아두지 않으면 전기의
정체를 파악할 수 없기 때문에, 여기에서 다소 복잡하더라도 살펴보고 지나가고자 한다.
건전지에 저항을 연결해서 회로를 만들면 이 회로를 흐르는 전류는 항상 크기가 일정하며 흐르는 방향도 변화하지 않는다. 이러한 전류나 전압을 직류라고 하는데, 문자기호로는 DC(Direct Current)로 나타낸다.
이에 비해 우리가 가정에서 사용하는 전기는 전류나 전압이 주기적으로 변화한다.
이러한 전류나 전압을 교류라고 하며 문자기호는 AC(Alternating Current)로 나타낸다.
같은 전기인데도 직류와 교류는 본질적으로 어떤 점이 다른가.
전류나 전압의 시간적인 변화를 보는 장치에는 브라운관 오실로 스코프라는 것이 있다.
이것을 사용해서 직류와 교류를 관찰한 것이 바로 다음 그림이다. |
즉 직류는 평탄한 직선이지만, 교류는 일정 시간마다 (+), (-)가
반복되는 등, 주기적인 변화를 일으키며 삼각함수에서 배운 정현파(사인 웨이브)의 그래프가 되고 있다.
이 교류의 파형을 보면, 전류와 전압이 시시각각으로 변화하고 있는 것을 알 수 있다.
각 시각에 있어서의 값을 순시값(瞬時値)이라 하고,
파형(波形)의 최대값을 진폭, 파(波)가 1진동하는 데 걸리는 시간을 주기(周期)라고 한다.
1초간에 진동을 반복하는 회수를 주파수라고 하는데, 옛날에는
사이클(Cycle)이란 단위도 썼으나 지금은 헤르쯔(문자기호로 Hz)로 통일되어 있다.
우리나라에서 사용하고 있는 교류 주파수는 60헤르쯔.
그러나 외국에서는 50헤르쯔를 사용하는 곳도 있다.
다시 한번 교류파형을 살펴보면 1주기 사이에 플러스와 마이너스가 한번씩 찾아오고 그 사이에 두 번 제로가 되고 있다. |
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따라서 60헤르쯔의 교류로 전등을 켜면 1초 사이에 120회 점멸하는 것을 알 수 있다.
그 때문에 형광등 밑에서 손을 빨리 흔들면 깜박거려 보이는 것이다.
레코드 플레이어의 스트로보·스코프는 이 원리를 이용한 것이다.
즉, 전등의 규칙적인 점멸을 이용하여 레코드의 회전수를 체크하는 것이다. |
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이제 교류란 주기적으로 진동하는 전기라는 것을 알았다.
교류발전기에 의해 만들어지는 교류전압은 정현파(사인 웨이브)라고 하는 규칙적으로 변화하는 아름다운 파형으로
되어 있다.
정현파란 자연계에 존재하는 모든 파형 중 가장 순수한 파형이다.
음차(音叉)를 두드릴 때 생기는 음파도 정현파이며, 맑은 플롯의 음색도 정현파에 가까운 것이다.
반대로 어떤 복잡한 물결도 진동수와 진폭이 다른 정현파의 합성으로 나타낼 수 있다.
이것을 푸리에 분석이라고 하는데, 전자음(電子音) 등은 이렇게 해서 만들어진 것이다. |
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앞서 교류의 주파수란 1초간에 진동하는 회수라고 말한 바 있는데, 이 주파수는 아주 정확한 것이다.
교류의 주파수는 발전소의 발전기(교류발전기) 회전수에 비례하기 때문에 발전소에서는 항상 엄격하게 발전기의
회전수를 일정하게 유지하지 않으면 안 된다.
전기에도 질이 있는데, 주파수가 일정하며 전압이 변동하지 않는 전기를 양질의 전기라고 한다.
그러나 교류는 전압과 전류의 크기가 끊임없이 변화한다.
따라서 그 크기를 표시하려면 어떻게하면 좋을까도 문제이다.
예를 들어 전압이 100V라고 하면 전압 파형의 어느 지점을 말하는 것일까.
이런 것은 직류가 하는 일과 교류가 하는 일을 비교해서 정하고 있다.
즉 저항이 같은 히터에 직류와 교류의 전압을 걸고 열량이 같아지도록 전압을 조정한다.
그때의 직류전압의 값을 교류전압의 값으로 정한다. 이 값을 교류전압의 실효치(實效値)라고 한다.
전류에 관해서도 마찬가지. 히터에 직류와 교류의 전류를 흘려서 교류전류의 실효치를 정한다.
이론상의 계산에 의하면, 교류 파형의 가장 큰 곳은 실효치의 약 1.41배(√2 배) 정도인 것으로 되어 있다.
따라서 실효치가 100V라면 최대값은 141볼트가 된다.
또 교류파형의 높이를 평균한 평균값이라는 것도 있다. 평균값은 실효치보다 조금 낮아진다.
교류를 측정하는 데 쓰는 전압계나 전류계는 실효치가 표시되도록 만들어져 있다. | |
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포장이 되어 있지 않은 울퉁불퉁한 도로나 진흙길에서 자동차는 속력을 내서 달릴 수 없다.
도로 사정이 자동차의 진행을 방해하기 때문이다.
전기 용어로 표현한다면 자동차의 진행에 저항을 주고 있다고 말할 수 있다.
전기의 경우, 송전선이나 코드의 전기저항은 전기의 흐름을 방해하여, 전기는 열에너지로 변해 손실이 되고 만다.
그 때문에 되도록 저항치가 적은 전선을 써야 효율적이다.
그러나 한편으로는 전기가 통하는 길에 저항이 없어서는 안 되는 경우도 있다.
전열기의 니크롬선이나 백열전구의 필라멘트가 그 좋은 예로써, 말하자면 저항을 역으로 이용한 것이라 할 수 있다.
전기저항은 오옴의 법칙에 따라, 전류를 제한하거나 전압을 내리거나 한다.
또 중요한 성질로서 전기 에너지를 열 에너지로 바꾸기도 하는데, 이를 주울열을 발생시킨다고 한다.
전열기나 다리미 등 히터가 설치되어 있는 전기기기는 모두 저항에 의한 주울열을 이용한 것이다.
주울열에 의하여 발열체의 온도를 높여 주면 백색광이 많이 나오게 된다. 이것이 백열전구의 원리이다.
일반적으로 발열체의 온도가 높아질수록, 파장이 짧은 빛이 많이 나오게 된다.
따라서 적외선램프는 필라멘트의 온도를 낮게 억제해서 파장이 긴 빛인 적외선을 많이 나오도록 고안한 전구이다. |
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여기서 도체의 전기저항의 성질에 대해서 설명하고자 한다.
같은 재질의 도체에서도 길이와 단면적이 저항에 관계됨은 쉽게 알 수 있다.
일반적으로 도선의 전기저항은 도선의 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다.
도선의 길이를 ℓ(m), 단면적을 S(㎡)라고 하면 저항 R은
로 표시할 수 있다.
이때 비례상수 ρ를 저항률이라고 하는데, 물질에 따라 정해지는 상수로 그 단위는 오옴미터(기호는 Ω·m)로 나타낸다.
그런데 도체의 저항은 온도에 따라 또한 변한다.
금속의 저항은 온도가 올라가면 커진다. 그것은 금속원자의 열 진동이 심해져서 자유전자의 운동을 방해하기 때문이다.
온도가 1도 상승하는 데 따른 저항의 증가비율을 저항의 온도계수(溫度係數)라고 한다.
또 탄소, 반도체, 전해질, 방전관 등은 온도가 상승하면, 반대로 저항이 감소한다.
이것을 부성저항(負性抵抗)이라고 한다. | | | ============================================================================================ |
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| 전류, 전압, 전기저항을 하나의 관계로 정립시킨 저 유명한 오옴의 법칙이라는 것이 있다. |
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전지에 꼬마 전구를 연결해 놓은 그림을 참조하면 이해가 빠를 것이다.
전지 1개에 전구 2개를 연결할 경우가 A, 같은 전구를 1개만 연결한 경우가 B, 그리고 전지 2개에 전구 1개를 연결한
경우를 C라고 해보자.
전기의 밝기는 당연히 A보다도 B, B보다도 C의 순서로 밝아진다.
이러한 관계도 물의 흐름에 비유하면 이해가 빠를 것이다.
즉 물탱크에 연결한 파이프를 타고 흐르는 물은 파이프에 걸리는 수압이 높을수록 양이 많아진다는 점이다.
만약 파이프가 가늘어서 물의 흐름에 대한 저항이 클수록 물의 양은 적어지게 되는 것이다.
전류도 이와 마찬가지.
즉 도체를 흐르는 전류의 크기는 도체의 양끝에 가해진 전압에 비례하고, 그 도체의 저항에 반비례한다.
이것이 바로 오옴의 법칙이다.
1827년 독일에서 오옴(Ohm)이란 사람이 실험에 의해서 발견한 것이다.
이 법칙은 전기의 기본법칙으로 아주 중요한 법칙이다.
이 법칙만 이해하고 있으면 전류, 전압에 관한 한 풀리지 않는 문제가 없다. 반드시 기억해 두어야 한다.
다시 한번 정리해 보면, 도체에 가해지는 전압 V를 볼트(V), 도체의 저항 R을 오옴(Ω), 흐르는 전류 I를 암페어(A)란 단위로 하면 이 법칙은 다음과 같은 식이 된다. |
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| 이 관계는 다음과 같이 쓸 수도 있는데, 기억하기에는 오히려 이 편이 쉬울 것이다. |
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과학 교과서나 참고서를 보면, 전지가 곧잘 등장한다.
전지는 화학반응에 의해 일정한 전위차를 만들어 전류를 공급하도록 되어 있다.
전류가 흐르고 있지 않을 때 전지 양극간의 전위차를 전지의 기전력이라고 한다.
전지의 연결 방법에는 다음 3가지가 있다.
(1)직렬연결
전압을 높여서 사용하여야 할 때 이 직렬접속이 이용된다.
한 전지의 (+)극을 다른 전지의 (-)극과 연결하는 방법이 직렬연결.
실제로는 전지를 일렬로 나란히 묶으면 직렬연결이 된다.
이때 전체의 기전력은 하나하나 전지의 기전력의 합이 된다.
즉 1.5V짜리 건전지 3개를 직렬로 연결하면 1개의 기전력 1.5V의 3배인 4.5V가 된다.
(2)병렬연결
각 전지의 (+)극은 (+)극끼리, (-)극은 (-)극끼리 같은 극을 공통으로 연결하는 것을 병렬연결이라고 한다.
이때의 기전력은 1개의 기전력과 같지만, 전지의 수명은 전지의 개수만큼 늘어나게 된다.
즉 전지를 사용할 수 있는 시간은 전지의 수에 비례한다.
(3)직병렬연결
직렬연결과 병렬연결의 장점을 살린 연결방법으로 혼합연결이라고 부르기도 한다.
이것은 몇 개의 전지를 직렬로 연결한 다음, 다시 병렬로 연결하는 방법이다.
전체의 기전력은 직렬 연결한 전지의 기전력과 같고 전지의 수명은 병렬연결의 수에 비례한다.
가령 1.5V짜리 건전지 4개를 두 개씩 병렬로 연결한 것을 직렬로 연결할 때 전압은 3V, 사용 시간은 2개분과 같게된다.
전지에서 또 하나 알아두어야 할 것 중에 내부저항(內部抵抗)이라는 것이 있다.
전지에서 전류를 사용하면 내부저항에 의해 전압강하 현상이 일어난다.
따라서 전지의 단자에 나타나는 전압 V는
V = (기전력) - (전류) x (전지의 내부저항)
으로 된다. 이 전압 V를 전지의 단자전압(端子電壓)이라고 한다.
또한 건전지나 축전지의 내부저항은 0.1오옴 정도 또는 그 이하이다. |
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좀 복잡하지만 자주 출제되는 문제가 있다.
그림에서 보는 회로의 합성저항 R, 전류 I, I₁, I₂, 전압V₁, V₂를
구하라는 문제이다.
우선 그림의 합성저항 R은 R₂와 R₃의 병렬부분의 합성을
먼저 구하고 다음에 R1을 거기에 직렬합성해야 한다.
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한 문제 더 풀어 보기로 하자.
이 그림에서는 합성저항 R은 R₁과 R₂의 직렬부분의 합성을
먼저 구하고 다음에 R₃을 거기에 병렬합성한다.
결과는
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과학과목의 전기 문제에서는 오옴의 법칙을 사용해서 전류나 전압의 값을 구하라는 문제가 많다.
이때 2개 이상의 저항이 연결된 경우가 많아 문제가 조금 복잡하게 느껴지는 수가 흔히 있다.
실제의 회로에서도 여러 개의 저항이 복잡하게 연결되어 있는 경우가 대부분이다.
이렇게 여러 개의 저항을 연결하는 데는 직렬연결(直列連結)과 병렬연결(竝列連結)이란 두 가지
연결 방법이 있다.
이 경우 여러 개의 저항을 연결했지만 실제로는 하나의 저항과 같은 역할을 하기 때문에 이 하나의 저항으로 환산한
값을 합성저항(合成抵抗)이라고 한다. |
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2개의 저항을 직렬연결하면, 저항을 2개 거쳐야 하는 결과가 되어 저항이 1개일 때보다도 전류가 통하기 어렵게 된다.
따라서 합성저항의 값은 저항이 하나일 때보다도 늘어나 2개의 저항을 합한 것과 같다.
반면 2개의 저항을 병렬연결하면 하나의 전류가 양쪽으로 나뉘어 통과하는 결과가 되므로 전류의 흐름도 그만큼 쉬워진다. 그 때문에 합성저항의 값도 저항이 1개일 때보다 감소하여 두 저항의 역수의 합이 합성저항의 역수가 된다.
얼른 이해하기가 어려우면 다음의 공식을 보면 금방 알 수 있다.
즉 두 저항을 R₁(Ω), R₂(Ω)라고 하면, 그 합성저항의 값 R(Ω)은 다음 공식으로 나타낸다. |
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흔히 500와트의 전열기라던가 30W의 형광등이란 식으로 표현한다.
그렇다면 이 와트란 정확히 무엇을 나타내는 단위일까.
와트란 전력의 단위라고 학교에서 배운 바 있다.
전원에서 나온 전하는 높은 에너지를 가지고 있다.
이 전하(전자)는 전류로서 회로를 움직여 여러 가지 형태로 에너지를 쏟아낸 다음, 에너지가 저하되어 전원으로
돌아간다. 전기가 열, 빛, 힘이라고 하는 여러 가지 형태의 일을 해주는 것도 이 때문이다.
그런데 우리 인간 사회에서도 저 사람은 일을 잘한다든가, 능력이 있다는 식으로 말한다.
그것은 어떤 작업을 단시간에 해낼 수 있는 사람을 가리키는 경우가 많다.
전기의 경우도 작업 능률이라는 점에서 생각해 볼 수 있다. 일반적으로 1초간에 하는 작업을 일의 능률이라고 하듯이
전류가 1초간에 하는 일 즉, 전류의 작업 능률을 전력이라고 한다.
앞에서 전류에 의해 발생하는 열량에 대해서 설명한 바 있다.
도체에 가해지는 전압을 V(V), 전류를 I(A)라고 하면 1초간에 발생하는 열량은 Q = VI x 1=V·I(주울)였다.
따라서 전기가 1초 동안에 하는 일, 곧 전력을 P라고 하면,
P = VI(W)
가 된다. 전력의 단위로는 와트(기호는 W)가 사용된다.
또 전력의 계산식은
전력(W) = 전압(V) x 전류(A)
라고 표시한다. 1와트란 전압이 1볼트, 전류가 1암페어일 때의 전력을 말한다.
또 저항을 R(Ω)라 하면 오옴의 법칙 V = IR에서 다음과 같이 표시할 수도 있다.
전기가 하는 일의 양은, 전력(1초 동안에 하는 일)에다, 일을 한 시간을 곱하면 될 것이다.
이것을 전력량(電力量)이라고 한다. 따라서 전력량은
(전력량) = (전력) X (시간)
이 된다.
전력량의 단위는 와트·시(기호는 Wh)로 표시하는데, 보통은 킬로와트·시(기호는 KWh)가 사용된다.
이것은 1킬로와트의 전력을 1시간 사용했을 때의 전력량이다. | |
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출처 : 전기공사전공회
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