1. 전하

모든 물질에는 전하라는 아주 작은 입자가 무수히 많이 있으며 이 전하에 의해 전기라는 힘이 발생한다. 이 때 전하가 가진 전기적인 힘의 양을 전하량이라고 하며 기호는 Q, 단위는 C(쿨롱)를 써서 Q[C]로 표현한다.

전하는 물에 비유하면 물방울이라고 생각할 수 있다.

 

 

2. 전류

물방울이 가만히 있으면 수차를 돌릴 수 없는 것처럼 전하도 가만히 있으면 전기적인 힘을 일으킬 수 없다. 물방울이 흘러가서 수차를 돌리듯이 전기적인 힘을 일으키려면 전하는 움직여야(흘러야) 한다.

물의 흐름을 수류라고 하면 여기서 물 대신 전하로 바꿔쓰면 전하의 흐름 즉 전류가 된다. 전류란 어느 한 점을 통과하는 매 초당의 전하량으로 기호는 I, 단위는 A(암페어)를 써서 I[A]로 표현한다.

 

전류.png

 

 

전류와 전하량 사이의 관계를 식으로 나타내면 I=Q/t[A]  (t[s] : 시간)
그러므로 반대로 어느 한 점을 통과하는 전류의 세기(I)와 전류가 가해진 시간(t)을 곱하면
총 전하량을 구할 수도 있다. 이를 식으로 나타내면 Q=It[C]

 

 

3. 전압
물은 물의 위치 즉 수위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 두 지점 사이의 수위차가 클수록 물이 가진 힘(흐름의 세기, 속도 등)은 강해진다. 이 때 두 지점 간의 수위차를 낙차 또는 수압이라고 하는데 전기에서도 이와 비슷한 개념인 전기적 위치 즉 전위라는 개념이 있으며 전하는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하여 전류를 형성한다. 두 지점 간의 전위차가 클수록 전하가 가진 힘은 강해지며 이 때 두 지점간의 전위차를 전압 또는 기전력이라고 한다. 전압은 기호가 V, 단위는 V(볼트)로 V[V]로 표현한다.
같은 세기의 전류라고 해도 전압이 높은 곳을 지나가는 전류가 더 큰 힘을 가지게 된다.

 

수위_전위.png

 

4. 저항

전기_저항.jpg

물이 흘러가다가 벽, 쌓인 흙이나 모래 더미, 인간, 동물, 수차, 돌덩이 등에 부딪힐 수 있으며 이러한 것들은 물의 흐름(수류)을 방해하는 요소가 된다. 전기에서도 마찬가지로 전하의 흐름(전류)을 방해하는 요소가 존재하는데 이를 전기 저항이라고 하며 기호는 R, 단위는 Ω(옴)을 써서 R[Ω]로 표현한다. 저항은 전류를 방해하는 정도를 수치화 한 것이므로 저항이 클수록 전류는 약해진다.

전기 저항은 크게 3가지 요소로 결정되는데 우선 전하가 지나가는 통로를 구성하는 물질로 전하를 잘 흘리는 물질(도체)은 전기 저항이 낮을 것이고 전하를 잘 흘리지 못하는 물질(부도체 또는 절연체)은 전기 저항이 높을 것이다. 이러한 물질들이 가진 전기 저항을 물체의 고유한 저항이라고 하여 고유 저항이라 칭하며 ρ라고 쓴다.

두 번째 요소는 전하가 지나가는 통로의 길이로 같은 물질이라고해도 길이가 길면 전하가 더 긴 통로를 지나가야하기 때문에 전하가 더 오래 방해받으므로 전기 저항이 상승하며 이러한 통로의 길이는 L이라고 쓴다.

세 번째 요소는 전하가 지나가는 통로의 단면적으로 같은 물질, 같은 길이라고 해도 단면적이 좁으면 전하가 지나갈 통로가 좁아지니 전기 저항이 상승하며 단면적은 S로 쓴다.

이 3가지 요소를 저항식으로 나타내면 R = ρ(L/S)[Ω]

 

길이_단면적.png

 

저항_3요소.png

 

 

5. 전력, 전력량

물의 흐름이 수차를 돌려서 일을 하듯이 전류도 저항을 관통하여 발열, 발광 등의 일을 하는데 같은 물의 흐름이라고 해도 수위차가 더 크면 수차를 더 강하게 돌리듯이(더 큰 일을 함) 같은 전류라고 해도 양단의 전위의 차가 더 큰(더 큰 전압이 걸린) 저항에서는 더 큰 열, 더 큰 빛을 낸다. 이렇게 전류와 전압이 일을 하는 것을 전기적인 힘이라하여 전력이라고 하는데 기호는 P, 단위는 W(와트)를 써서 P[W]로 표현한다.

전력은 저항을 관통하는 전류와 저항의 양단의 전위차(저항에 걸린 전압)를 곱한 것으로 식으로 나타내면 P=VI[W]이다.

하지만 전력은 매 초당의 전기적인 힘으로 전류가 모든 시간을 통틀어서 한 일의 양을 구하려면 전력에 전류가 가해진 시간을 곱해야하는데 이를 전력량이라고 하며 기호는 W, 단위는 J(줄)로 W[J]로 표현한다.

전력량을 식으로 나타내면 W=VIt=VQ=Pt이다.  (맨 앞의 전하에 Q=It 식 참고)

 

 

6. 옴의 법칙

전류, 전압, 저항 사이에는 V=IR의 관계가 성립하는데 이를 옴의 법칙이라고 한다.

위의 식으로 전류와 저항은 서로 반비례 관계임을 알 수 있으며 이는 앞서 설명한 저항은 전류를 방해하는 정도를 나타낸 것이라는 말과 일치한다. 또한 위의 식을 변형하여 I=V/R, R=V/I로도 나타낼 수 있다.

 

 

7. 키르히호프의 법칙

1) 키르히호프 1법칙(키르히호프의 전류 법칙) : 어느 한 점을 들어오는 전류와 나가는 전류의 총합은 항상 0이다.

키르히호프_전류1.png

키르히호프_전류2.png

 

2) 키르히호프 2법칙(키르히호프 전압 법칙) : 닫힌 회로 내에서 공급 전압과 소비 전압의 총합은 항상 0이다.

키르히호프_전압1.png

 

키르히호프_전압2.png

 

8. 직렬, 병렬, 직병렬

1) 직렬 : 회로를 갈림길 없이 외길로만 연결

직렬 시 합성 저항 R = R1 + R2 + R3 ~ (모든 저항을 더함)

직렬 시 각 저항을 관통하는 전류가 같으며 각 저항에 걸리는 전압은 각 저항의 크기에 비례해서 분배

직렬_예시.png

 

직렬_의미.png

 

직렬1.png

 

직렬2.png

 

2) 병렬 : 회로를 길이 갈라지게 연결

병렬 시 합성 저항 R = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3 ~) (저항의 역수에 대한 총합을 한 결과를 다시 한 번 역수 취함)

병렬 시 각 저항에 걸리는 전압은 같으며 각 저항을 관통하는 전류는 저항의 크기에 반비례해서 분배

병렬_예시.png

 

병렬_의미.png

 

병렬1.png

 

병렬2.png

 

3) 직병렬 : 직렬, 병렬을 혼합하여 연결

직병렬.png

 

9. 단락, 개방

단락.png

 

회로_단락.png

 

2) 개방 : 저항이 무한대에 가까워진 상태

개방.png

 

회로_개방.png

 

10. 과부하

과부하.png

 

부하는 병렬로 연결한다. 그렇기 때문에 부하를 많이 연결한다는 것은 회로에 병렬로 연결되는 저항이 많아진다는 의미이며 앞서 병렬 파트에서 설명했듯이

병렬로 연결하는 저항의 개수가 많아질수록 회로의 합성 저항은 떨어진다.

 

부하를 지나치게 많이 연결한 상태를 과부하라고 하는데 과부하 시 회로의 저항이 0에 가까워지며 이 경우 전류를 방해할 요소가 거의 사라지기 때문에 회로 내의 전류는 회로가 감당할 수 없을 정도로 치솟게 되며 이 전류를 과부하 전류라고 한다. 과부하 전류는 회로와 회로에 연결된 전기 기계를 고장나게 하며 화재, 감전 사고 등의 원인이 된다.

 

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