전기의 발생 원인
전기는 전자의 이동에 의해 발생하는 에너지입니다.
전자와 원자핵의 전기적 특성에 의해 전기력이 발생하며, 같은 전하를 띤 물체는 서로 밀어내고 다른 전하를 띤 물체는 서로 끌어당깁니다.
전기 에너지는 다른 형태의 에너지로 변환되는 과정에서 전기장, 전류, 저항, 전압 등의 전기적 현상과 열, 빛, 자기장 등의 현상이 나타납니다.
원자와 전자
원자는 (+)전하를 띤 원자핵과 (-)전하를 띤 전자로 이루어져 있습니다.
전자는 전하를 가진 '입자'이며, 각 원자의 (+)수와 (-)수가 같으면 이를 중성 상태라고 합니다.
전자는 원자 바깥쪽에 위치하며 외부 영향에 의해 이동할 수 있지만, 양성자는 원자핵 내부에 밀집되어 있습니다.
전하의 정의
전하는 입자가 가진 '성질'을 말하는 개념이고 전자기장 내에서 전기현상을 일으키는 주체적인 원인입니다.
전하량의 최소 단위는 전자와 양성자의 전하량인 1.6x10-19C입니다.
추가 정보 - 전류
전류는 도체 내부에서 전자가 이동하는 현상, 즉 전자라고 부르는 음전하 입자의 이동률을 뜻합니다.
전기회로의 구성요소
전원(Power Source)
전기회로에 전기 에너지를 공급하는 장치
전압을 발생시켜 전류를 흐르게 하는 역할
대표적으로 배터리, 발전기, 태양전지 등이 있습니다.
부하(Load)
전기회로에서 전력을 소비하는 장치
전기 에너지를 다른 형태의 에너지(열, 빛, 기계적 에너지 등)로 변환
전구, 모터, 히터 등이 대표적인 부하 장치입니다.
저항(Resistance)
전류의 흐름을 방해하는 요소
옴의 법칙에 따라 전압, 전류, 저항 간의 관계를 나타냄
저항기, 가변저항기, 센서 등이 대표적인 저항 소자입니다.
전압(Voltage)
전기회로 내에서 전위차를 나타내는 물리량
전원에 의해 발생하며, 전류를 흐르게 하는 원동력
전압의 단위는 볼트(V)입니다.
전류(Current)
전기회로 내에서 전하가 흐르는 양
전압에 의해 발생하며, 전력을 전달하는 역할
전류의 단위는 암페어(A)입니다.
이처럼 전기회로는 전원, 부하, 저항, 전압, 전류 등의 요소로 구성되어 있으며, 이들 간의 상호작용을 통해 전기 에너지가 전달되고 활용됩니다.
추가로, 전기회로에는 직류(DC)와 교류(AC)가 있습니다. 직류는 전류의 방향이 일정한 반면, 교류는 전류의 방향이 주기적으로 바뀌는 것이 특징입니다. 이러한 차이로 인해 회로의 구성과 동작 원리가 달라집니다.
전류의 정의
전류는 전기를 띤 입자(전하)의 흐름을 의미합니다.
단위 시간 동안 어떤 단면적을 통과한 전하의 양을 나타내는 개념입니다.
전류의 기호와 단위
전류의 기호는 대문자 I(아이)입니다.
전류의 단위는 암페어(A)입니다.
1A는 1초 동안 1C(쿨롱)의 전하가 흐르는 것을 의미합니다.
전류 = 전하량 / 시간
기호 - I = Q / t = V / R [A]
단위: 암페어(A) = 쿨롱(C) / 초(s) = [C/s]
전류는 단위 시간 동안 흐르는 전하량을 나타냅니다.
전류의 작용
발열 작용 - 전류가 흐르면 저항에 의해 열이 발생합니다. 이는 전기 히터, 전기 다리미 등에 활용됩니다.
자기 작용 - 전류가 흐르면 자기장이 발생합니다. 이는 전동기, 변압기, 릴레이 등에 활용됩니다.
화학 작용 - 전류가 흐르면 전기 분해 현상이 일어납니다. 이는 도금, 배터리 충전 등에 활용됩니다.
전류의 종류
직류(Direct Current, DC) - 전류의 방향이 일정한 경우
배터리, 태양전지 등에서 발생하는 전류 / 전자기기, 조명 등에 주로 사용됩니다.
교류(Alternating Current, AC) - 전류의 방향이 주기적으로 바뀌는 경우
발전소, 송전선에서 발생하는 전류 / 가정용 전원, 산업용 전원 등에 주로 사용됩니다.
전압(Voltage)의 정의
전기회로에서 전류를 흐르게 하는 능력을 나타내는 개념
전압은 전기장 내에서 전하를 이동시키는 데 필요한 에너지로, 전위차의 단위로 [V]를 사용합니다.
전압은 전위차이므로 전위차가 클수록(절대값 개념) 시간당 전자의 흐름도 크므로 전류와 비례합니다.
전압의 기호와 단위
기호: V (볼트, Volt)
단위: 볼트(V)
볼트는 전압의 국제단위계(SI) 단위로, 전기 회로에서 전위차를 나타내는 데 사용됩니다.
볼트의 정의 - 1볼트(V)는 1암페어(A)의 전류가 1옴(Ω)의 저항을 통과할 때 소비되는 전력이 1와트(W)인 경우의 전압을 의미합니다.
즉, V = I × R 에서 V = 1V, I = 1A, R = 1Ω 일 때의 전압을 1볼트로 정의합니다.
옴의 법칙: V = W(일의양) / Q(전하량) [J/C] = I × R (전압 = 전류 × 저항) [V]
기전력(Electromotive Force, EMF)
정의 - 전지나 발전기 등의 전원장치에서 전자를 움직이게 하는 힘
기전력은 전지의 양단에 발생하는 최대 전압을 나타냅니다.
기전력은 전지의 화학반응에 의해 발생하며, 전지의 음극, 양극, 분리막, 전해액 등의 구성요소에 의해 결정됩니다.
기전력 E = 단자전압 + 내부 저항에 의한 전압 강하 [V]
기전력은 전지의 최대 출력 전압을 의미하며, 실제 단자전압은 기전력에서 내부 저항에 의한 전압 강하를 뺀 값입니다.
요약하면, 전압은 전기회로에서 전류를 흐르게 하는 능력을 나타내는 개념이며, 기전력은 전지나 발전기 등의 전원장치에서 전자를 움직이게 하는 힘을 의미합니다.
전기 저항의 정의
전기 저항은 전기 회로에서 전류 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리량입니다.
전자 간 충돌과 도체 내 불순물로 인해 전류 흐름이 방해되어 에너지 손실이 발생하고 열이 발생합니다.
전기 저항의 기호와 단위
기호 - R (옴, Ohm)
단위 - 옴(Ω)
옴은 전기 저항의 국제단위계(SI) 단위로, 독일 물리학자 게오르크 옴의 이름에서 유래했습니다.
R = p*l(전선의 길이) / A(전선의 단면적) [Ω] = V / I [Ω]
저항의 접속
직렬 접속 - R = R1 + R2 [Ω]
전류는 일정하고 전압이 분배되고 합성 저항은 각 저항의 합이 됩니다.
병렬 접속 - R = R1R2 / R1+R2 [Ω]
전압은 일정하고 전류가 분배되고 합성 저항은 각 저항의 역수 합의 역수가 됩니다.
병렬 접속에서 합성 저항은 병렬 연결된 저항 중 가장 작은 저항보다 작습니다.
같은 저항(R1) n개가 병렬접속된 경우 합성저항
R = R1 / n [Ω]