막 회로이론을 접한 입문자들에게 전기와 전자에 대한 내용은 낯설 수 밖에 없다.
앞으로 서술할 내용들에 관한 기초적인 지식을 설명한 후 포스팅을 이어나가 보겠다.
나는 친절하니까 !
전하 (Charge)
앞으로 설명할 모든 전기/전자 현상들을 발생시키는 근원이며, 가장 기본적인 요소이다.
양(+) 전하와 음(-) 전하로 나뉘어져 있으며, 이 전하들의 상호작용에 의해 전기의 흐름(전류)이 발생한다고 생각하면 된다.
얼마 만큼의 전하가 존재하는지 나타내기 위해 쿨롱(기호 : Q, 단위 : C, 사람 이름에서 따왔다.)이라는 표현을 사용하며, 양적인 표현을 쓸 땐 '전하량' 이라고 부른다.
이때, 1 쿨롱은 전자 6.24 × 10^18 개가 지니고 있는 전하량을 일컫는다.
+ 전하와 전자가 헷갈리는 이들을 위해 간단히 비교해 보자.
| 특성 | 전하 (Charge) | 전자 (Electron) |
| 공통점 | 전기적 상호작용을 일으킴 | |
| 종류 | 양전하와 음전하 | 음전하만을 가짐 |
| 단위 | 쿨롱 (C) | 없음 (전자 하나의 전하량은 약 -1.6 × 10^-19 C) |
| 기호 | Q | e |
| 비고 | 실체 없이 입자가 가질 수 있는 '속성'을 일컫는 용어 | 실체가 있는 물리적 입자 |
전류 (Current)
앞서 잠깐 말했듯, 전하에 의한 전기의 '흐름'이다. 전하량을 지닌 전자의 이동에 의해 전류가 발생한다고 생각하면 되고 기호는 I, 단위는 A(암페어)로 나타낸다.
수학적 정의는 아래와 같다.
수식의 물리적 의미를 살펴보면, '시간당 흐르는 전하량'을 나타낸다.
'흐른다' 라는 개념에서 나타나듯 전류는 방향성이 있고, 이 방향에 대한 설명은 전압에서 이어나가겠다.
전압 (Voltage)
전압은 '전기적 압력' 또는 '전기적 위치 에너지'라고 정의된다.
흔히 위치 에너지라고 하면, 높이 있는 물체가 잠재적으로 가지고 있는 에너지를 뜻하는데, 여기선 역학적 에너지가 아닌 전기적 에너지로 표현되어 있다. 즉, 물체를 움직이는 에너지가 아닌 '전하 (또는 전자)'를 움직일 수 있는 잠재적인 에너지를 뜻한다.
일단은 높은 전압 → 많은 양의 전하 움직일 수 있음
낮은 전압 → 적은 양의 전하 움직일 수 있음
이 정도로 이해해도 무방하다.
앞서 말한 전류의 경우 방향성이 존재하였는데, 높은 전압 → 낮은 전압으로 전류가 흐른다고 생각하면 된다.
여기서 한 가지 의문점이 생길 수 있는데, 높은 전압 (양수라고 가정)에서 낮은 전압(음수라고 가정)으로 전류가 흐른다면, 음의 전하량을 갖는 전자는 어떻게 되는 것인가?
(+)전압에서 (-)전압으로 전류가 흐른다면, (-)전하를 갖는 전자가 (-)전압으로 이동한다는 것은 상당히 부자연스럽다.
그렇다. 전자의 이동 방향과 전류의 이동방향은 반대이다.
즉, 전류가 (+)전압에서 (-)전압으로 전류가 이동하는 동안, 전자는 (-)전압에서 나와 (+)전압으로 들어가고 있는 것이다.
+ 기호 : V(볼티지), 단위 : V(볼트)
1 볼트라는 단위가 갖는 물리적 의미는 다음과 같다. "1C의 전하가 1J의 에너지를 얻을 때의 전기적 위치 에너지"
1C의 전하가 1J이라는 에너지를 얻었으므로 이는 전류의 형태로 방출될 수 있는 잠재력(Potential)을 가지고 있는 것이다.
저항 (Resistor)
이름부터 드세다. 거세게 저항할 것만 같은 명칭을 가진 저항은 도대체 무엇에 저항한다는 것인가?
바로 전류이다.
전류가 흐르는 것에 드세게 저항하는 이 놈은 전자의 움직임을 방해한다고 생각하면 된다.
우리가 땅에서 뛸 때는 빠르지만, 물 속에서 뛸 때를 생각해 보면 땅에서 뛸 때가 훨씬 빠르다. 공기 저항보다 유체 저항이 크기 때문이다. 즉, 전자의 흐름을 방해하는 요소이며 기호는 R, 단위는 Ω(옴, Ohm)을 사용한다.
전류의 흐름을 크게 방해한다면 저항이 높은 것이다. 개념부터 명칭까지의 매칭이 환상적인 녀석이다.
옴의 법칙 (Ohm's Law)
저항의 단위로 표현되던 옴(Ohm)이라는 놈이 뭐가 되길래 법칙까지 존재하는 것인가?
이는 독일의 물리학자였던 Ohm이 발견한 현상에 기인한다. (TMI 시작)
Ohm은 금속 회로를 구성하며 '어떠한 상태에서 전류가 많이 흐르는가?'를 탐구 중이었는데, 똑같은 전압을 할당한 회로에서 금속의 종류를 바꿔가며 측정해 본 결과, 전부 다른 전류가 흐르는 것을 발견한다.
(이걸 어떻게 알았냐? 전류의 흐름으로 발생하는 자기장의 변화를 통해 회로 위에 나침반 바늘을 올려놓고 자침이 움직이는 정도를 측정하며 상대적인 전류량을 비교하였음. 비오사바르 법칙에 의거한 것인데, 자세한 건 기회가 된다면 전자기학 강의에 올릴 예정)
결론적으로 물질마다 고유한 저항 값을 갖고 있고, 이 때문에 동일한 전압에서도 다른 전류가 측정되었던 것 !
따라서 전압과 전류, 저항의 관계를 최초로 정의한 자가 Ohm이다. 그 관계는 아래와 같다.
전압은 전류와 저항의 곱과 같다. 얼마나 간단명료한가? 이것만 꼭꼭 기억해라.
여기까지 이해했다면, 당신은 다음 포스팅을 읽어가는 데에 아무 지장이 없다. 고생했다.
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