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전압(電壓, electric pressure) 또는 전위차(電位差, electric potential difference)는 전기장 안에서 전하가 갖는 전위의 차이이다. 가장 일반적인 영어 명칭은 voltage이다.
전압 – 위키백과, 우리 모두의 백과사전
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개요[편집]
인가 전압과 전압 강하[편집]
전원[편집]
측정[편집]
직류와 교류의 전압[편집]
전기 이론[편집]
같이 보기[편집]
각주[편집]
전압이란 무엇인가? : 네이버 블로그
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전류와 전압, 개념 잡기
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전류와 전압 개념 잡기
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전자 쟁이의 이런 저런 지식 세상 :: [전자] 전압(Voltage), 전류(Current)의 정의
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전압
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전압(電壓, electric pressure) 또는 전위차(電位差, electric potential difference)는 전기장 안에서 전하가 갖는 전위의 차이이다.[1] 가장 일반적인 영어 명칭은 voltage이다. 전기 회로에서는 회로의 두 지점 사이의 전위차를 뜻하며 전기가 흐르게 하는 원인이다. 기전력(起電力, electromotive force)과는 의미가 약간 다르다. 단위는 볼트(V)이다.[2]
전압은 정전기장이 형성될때[3], 전류가 자기장을 통과할 때, 자기장의 세기가 시간에 따라 변할 때, 그리고 이 세 종류가 동시에 일어날 때 발생할 수 있다.[4][5]
개요 [ 편집 ]
전위차 발생의 개요
그림과 같이 점전하 Q {\displaystyle Q} 가 만들어내는 전기장 E ¯ {\displaystyle {\bar {E}}} 안에 시험 전하 q {\displaystyle q} 가 있다고 하자. 시험 전하 q {\displaystyle q} 는 쿨롱의 법칙에 따라 q E ¯ {\displaystyle q{\bar {E}}} 의 힘을 받는다. 이 힘에 의해 전하가 d s ¯ {\displaystyle d{\bar {s}}} 만큼 이동할 때 전기장이 전하에 한 일은 q E ¯ ⋅ d s ¯ {\displaystyle q{\bar {E}}\cdot d{\bar {s}}} 가 된다. 전하가 A {\displaystyle A} 에서 B {\displaystyle B} 까지 이동하면 전기장과 전하로 이루어진 계의 위치에너지 변화 Δ U {\displaystyle \Delta U} 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.[1]
Δ U = − q ∫ C E ¯ ⋅ d s ¯ {\displaystyle \Delta U=-q\int _{C}{\bar {E}}\cdot d{\bar {s}}}
d s ¯ {\displaystyle d{\bar {s}}} 의 크기가 0으로 수렴되면 전기장 E ¯ {\displaystyle {\bar {E}}} 안에 놓인 전하 q {\displaystyle q} 의 위치 에너지는 U {\displaystyle U} 가 된다. 이 위치에너지를 전하 q {\displaystyle q} 의 전하량으로 나누면 원천 전하의 분포에만 의존하는 물리량인 전위를 얻을 수 있다. 즉, 전위 V {\displaystyle V} 는 시험 전하의 전하량과 관계 없이 점전하 Q {\displaystyle Q} 에 의해 발생하는 전기장 내의 위치에 의해서만 결정되는 물리량이 된다.[1]
V = U q {\displaystyle V={\frac {U}{q}}}
전기 회로에서 위 식은 전기 에너지 양을 전하량으로 나눈 값으로 해석될 수 있다. 전압의 단위 볼트는 줄을 쿨롱으로 나눈 값이다.[6]
V = J C {\displaystyle V={\frac {J}{C}}}
전기 회로는 회로를 구성하는 두 지점의 전위가 다를 때 전기가 흐르게 된다. 아래의 그림과 같은 전기 회로에서 전원은 전압 상승을 만들고 전기저항을 통과한 전기는 전압 강하가 발생한다. 회로 전체에서 전압 상승과 전압 강하는 절대값이 같고 부호는 반대가 된다. 만일 아래 그림의 전원이 3V의 전압을 제공한다면 저항에서는 3V의 전압 강하가 일어나게 된다.[7]
v: 전원, i: 전류, R: 저항 간단한 전기회로.: 전류,: 저항
전기 회로의 두 지점 a {\displaystyle a} , b {\displaystyle b} 의 전압차는 다음과 같이 수식으로 나타낼 수 있다.
V a − V b = ∫ a b E ⋅ d l . {\displaystyle V_{a}-V_{b}=\int _{a}^{b}\mathbf {E} \cdot d\mathbf {l} .}
전기장은 3차원 공간을 차지하므로 실재 전위의 측정에서는 다양한 경우에 따라 각기 다른 계산이 필요하다. 점전하나 전기 쌍극자가 일으키는 전기장에 놓인 전하의 전압은 극좌표계를 이용하여 계산하고, 무한 전선에 놓인 두 지점의 전위는 선적분을 통해 계산할 수 있다.[8] 한편, 전압은 전기장의 전위에 의한 것으로 단일 전자에 적용되지는 않는다. 단일 전자를 다룰 때는 전자볼트를 단위로 사용한다.[9]
인가 전압과 전압 강하 [ 편집 ]
전기 회로에 전기를 공급하기 위해 부여한 전압을 인가전압(印加電壓)이라 한다. 회로에 인가된 전압은 구스타프 키르히호프가 발견한 키르히호프의 전기회로 법칙에 의해 계산할 수 있다. 키르히호프의 전기회로 법칙은 전원을 통해 공급되는 전류와 전압의 총합이 회로 전체에서 일정하다는 것을 정리한 것이다.[10]
실제 회로에서는 많은 부품들이 직렬 또는 병렬로 연결되어 복잡한 전압 강하를 일으키므로 전압 계산에 세심한 주의가 필요하다. 직렬 회로에서는 각각의 부하가 일으키는 전압 강하의 합이 전체 인가 전압과 같아 다음과 같이 계산된다.[11]
V t = V 1 + V 2 + ⋯ + V n {\displaystyle V_{t}=V_{1}+V_{2}+\cdots +V_{n}}
병렬 회로에서는 들어가는 전압과 나오는 전압이 같으므로 각각의 가지의 부하를 고려하여 분할 계산한다. 예를 들어 아래의 그림과 같이 부하가 분기된 병렬 회로의 전압 강하는 다음과 같이 계산된다.[12]
병렬 저항 회로
1 R t o t a l = 1 R 1 + 1 R 2 + ⋯ + 1 R n {\displaystyle {\frac {1}{R_{\mathrm {total} }}}={\frac {1}{R_{1}}}+{\frac {1}{R_{2}}}+\cdots +{\frac {1}{R_{n}}}}
전원 [ 편집 ]
이 부분의 본문은 이 부분의 본문은 전력 입니다.
전기는 마찰에 의한 정전기, 자기장을 전류가 통과할 때 생기는 유도 전기, 자기장의 변화에 따른 유도 전기, 서로 다른 물질의 전자 친화도 차이를 이용한 화학적 전지와 같은 여러 방식을 통해 일어난다.[4] 이렇게 발생된 전기는 저마다의 전압을 갖는다. 전기 회로에 전압을 인가하는 역할을 하는 장치를 전원이라고 한다. 전원은 전기 발생의 방식에 따라 직류 전원과 교류 전원으로 나뉠 수 있다.[13]
전기 회로 이론에서는 건전지와 같이 회로의 다른 소자들과 독립하여 자체의 에너지만으로 전압을 공급하는 전원을 독립 전원이라고 하고, 트렌지스터의 등가 회로에서와 같이 다른 회로를 통해 전압과 전류가 제어되는 전원을 종속 전원이라고 한다. 종속 전원은 다시 조정하는 요소가 전압인지 전류인지에 따라 종속전압전원과 종속전류전원으로 구분한다.[14]
전지는 대표적인 직류 전원이다. 물질의 전자 친화도 차이에 따른 산화·환원 반응을 이용하여 전원을 공급한다.[15]
교류는 패러데이 전자기 유도 법칙에 따라 생성되어 일정한 주기를 갖고 방향을 바꾸는[16] 발전기를 통해 생성된다. 교류의 주기는 보통 50 Hz 또는 60 Hz가 쓰이며, 대한민국의 경우 60Hz이다.[17] 교류 전기를 직류로 변환하는 장치는 정류기라고 한다. 대부분의 가전 제품이나 전자 제품은 정류기를 통해 교류를 직류로 바꾸어 전원으로 사용한다.[18]
실재 전원은 스스로도 내부에 전기저항 성분을 갖기 때문에 전압과 전류가 서로 영향을 미친다. 그러나 전기 회로의 해석에서는 전원의 내부 저항을 무시하고 전압과 전류가 독립적이라고 간주한 이상적 전원을 가정한다.[19]
측정 [ 편집 ]
멀티미터는 전압, 전류, 전기용량, 저항 등을 하나의 기계로 측정할 수 있는 장비이다.
전압은 두 지점이 갖는 전위에 대해 상대적인 물리량이기 때문에 하나의 지점만으로 전압을 측정할 수는 없다. 실제 측정에서 전압은 전기 회로 안의 두 지점을 측정하는 방식과 하나의 지점 만으로 측정하는 방식이 쓰인다. 하나의 지점 만으로 전압을 측정할 때의 비교 지점은 접지(ground)이며 이는 지구의 전위를 비교 대상으로 하는 것이다. 일상 생활에서 쓰이는 전기의 전압 표시는 지구의 전위를 0으로 보았을 때 전달되는 전기의 전위차를 표시한 것이다. 전압의 측정에는 멀티미터가 쓰인다.[20]
직류와 교류의 전압 [ 편집 ]
직류는 화학적이거나 광화학적인 방법으로 일정한 전위차를 지속시키는 전원에 의해 연속적으로 공급을 받으므로 전압을 일정하게 유지한다. 그러나 교류는 발전기를 이용한 유도 전기로서 주기적으로 전압이 변화한다.[16] 직류 전압은 DCV(Direct current Voltage), 교류전압은 ACV(Alternating current Voltage)로 표기한다.
전위차가 일정한 직류와 달리 일반적인 교류의 전압 변화는 아래의 그림과 같이 사인파 형태를 띈다.[21] 따라서 주기 단위 전압 변화의 총량은 변화량이 상쇄되어 0 이 되어버리고 만다. 그러나, 전기 회로에서 일을 하는 전압은 0 이 아니기 때문에 평균 전압을 고려하여야 한다.[22]
일반적인 교류의 전압 변화는 사인파의 형태를 띈다.
특정 순간의 교류 전압은 아래의 식과 같이 나타낼 수 있다. 이는 교류의 위상에 따라 전압의 크기와 방향이 주기적으로 바뀌는 것을 나타낸다.[21]
V ( t ) = V p k c o s ( ω t + θ v ) {\displaystyle V(t)=V_{pk}cos(\omega t+\theta _{v})} V(t): 순간 전압, V pk : 최대 전압, ω t {\displaystyle \omega t} t : 전압의 순간 변위
전기 회로에서 고려되는 전압은 반주기(주기의 절반 구간)에서 나타내는 평균 전압이다.[23] 사인파의 반주기 평균은 다음과 같이 적분을 이용하여 계산할 수 있다.[24]
V a v g = ω π ∫ 0 π / ω V p k sin ( ω t − k x ) d x = 2 π V p k ≅ 0.637 V p k {\displaystyle V_{avg}={\frac {\omega }{\pi }}\int _{0}^{\pi /\omega }V_{pk}\sin(\omega t-kx){\rm {d}}x={\frac {2}{\pi }}V_{pk}\cong 0.637\,V_{pk}} V a v g {\displaystyle V_{avg}} ω π {\displaystyle {\frac {\omega }{\pi }}} V p k {\displaystyle V_{p}k}
실효 전압은 교류 전압의 실효값으로 반주기 구간의 전압에 대한 제곱평균제곱근을 의미하고 일반적으로 V r m s {\displaystyle V_{rms}} 로 표시한다. 실효 전압은 아래와 같이 계산할 수 있다.[25]
V r m s = V p k ⟨ sin 2 ( ω t − k x ) ⟩ = 1 2 V p k ≅ 0.707 V p k {\displaystyle V_{rms}=V_{pk}{\sqrt {\langle \sin ^{2}(\omega t-kx)\rangle }}={\frac {1}{\sqrt {2}}}V_{pk}\cong 0.707\,V_{pk}} V r m s {\displaystyle V_{rms}} V p k {\displaystyle V_{pk}}
실효 전압은 같은 값의 직류 전압과 동일한 일을 한다는 의미이다. 가정용으로 공급되는 전기의 전압은 실효 전압으로 표시된다. 따라서 실효 전압 220 V로 표시된 교류의 최대 전압은 311 V이다.[26]
V p k {\displaystyle V_{pk}} 는 반주기의 최대값이므로 전체 주기의 최대 전력과 최소 전력의 차인 V p p k {\displaystyle V_{ppk}} 의 절반에 해당한다. 따라서 평균 전압 V a v g {\displaystyle V_{avg}} 는 V p p k {\displaystyle V_{ppk}} 의 약 0.319 배가 되고, 실효 전압 V r m s {\displaystyle V_{rms}} 는 V p p k {\displaystyle V_{ppk}} 의 약 0.354 배가 된다. 이는 위의 식에서 도출된 값을 반으로 나눈 것이다.
V a v g = .319 V p p k {\displaystyle V_{avg}=.319\,V_{ppk}} V r m s = .354 V p p k {\displaystyle V_{rms}=.354\,V_{ppk}}
평균 전압과 실효 전압 사이의 관계는 아래와 같이 계산할 수 있다.
V a v g = 2 π V p k = 2 π ⋅ 2 V r m s {\displaystyle V_{avg}={\frac {2}{\pi }}V_{pk}={\frac {2}{\pi }}\cdot {\sqrt {2}}V_{rms}} = 2 2 π V r m s ≅ 0.900 V r m s {\displaystyle ={\frac {2{\sqrt {2}}}{\pi }}V_{rms}\cong 0.900\,V_{rms}}
전기 이론 [ 편집 ]
전압은 전기의 다른 단위들과 다음과 같은 관계를 갖는다.
직류 [ 편집 ]
V = P R {\displaystyle V={\sqrt {PR}}} V = P I {\displaystyle V={\frac {P}{I}}} R = V I {\displaystyle R={\frac {V}{I}}}
V:전압, P:전력, I:전류, R:저항
교류 [ 편집 ]
V = P I cos ϕ {\displaystyle V={\frac {P}{I\cos \phi }}} V = P Z cos ϕ {\displaystyle V={\frac {\sqrt {PZ}}{\sqrt {\cos \phi }}}\!\ } V = I R cos ϕ {\displaystyle V={\frac {IR}{\cos \phi }}}
V=전압, I=전류, R=저항, P=참 전력, Z=임피던스, φ=I,V 간의 위상각
같이 보기 [ 편집 ]
전압이란 무엇인가?
전압이란 무엇인가?
만약 귀하에게 전압이 무엇인가요?, 면접 시 질문으로 전압을 설명하라고한다면……
무엇이라고 답 할 것인가요? 좀 난처한 질문이지요?
전압이라고 하면 압력과 같은 느낌으로 힘처럼 보이지만, 본래는 에너지의 지표입니다.
전압 을 사전에서는 이렇게 설명하고 있습니다.
물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하 는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 이때
전위의 차이가 전압이다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지를 갖고 있듯이, 전압이
클수록(전위차가 클수록) 더 많은 전기에너지를 갖고 있다. 그리고 높이 차이가 없으면 물이 흐르지
않듯이 전압이 0이라면 전류 가 흐르지 않는다.
전압의 단위
전압의 크기를 나타내는 단위는 V( 볼트 )다. 1V는 1C(쿨롱)의 전하 가 두 점 사이에서 이동하였을 때에
하는 일이 1J(줄)일 때의 전위차이다. [네이버 지식백과] 전압 [voltage, 電壓] (두산백과)
에너지 중에서도 위치 에너지 또는 포텐셜 에너지라는 것에 속합니다.
위치 에너지는 한 위치 a에 물체를 올려 놓으면 물체가 가지는 에너지입니다. 다른 위치 b 에서 그 위치까지 물체를 이동 시키려고 하면 일을 하지 않으면 안됩니다. b 에서 a에 물체를 이동시킬 때, 물체를
이동시켜 않으려는 힘이 든다는 것. 그래서 위치 a에서 물체를 떼어내자 마자 물체는 힘을 받아 운동을 시작한다. 그 물체가 b에 돌아올 때의 속도를 가지고 있습니다. 이 때의 운동 에너지의 분 입니다.
여기서는 그냥 a 라고 말 했지만 “위치 에너지” 라고 하는 것입니다.
즉, b에서 a까지 운반 때 한 일이 그대로 a 물체가 가지는 위치 에너지 라는 것. 그래서 물체를 옮긴 사람
이 물체에 한 일 분이 물체가 얻은 위치 에너지가 되고 그 위치 에너지를 운동 에너지로 바꾸면 물체는
속도 가지고 나가게 됩니다.
물체를 표면에 드는 것을 생각해 둡시다. 물체를 들어 올릴 때, 사람은 물체에 걸리는 중력에 반하여
물체를 드는 일을 합니다. 이 일 만큼 들어 올려 진 물체는 위치 에너지를 가지고 있습니다. 그런데 물체
에서 손을 놓으면 물체는 중력에 의해 가속되면서 떨어집니다. 먼저 물체가 있던 위치만큼 물체는 운동
에너지를 가지고 있습니다. 그리고 그것은 단지 물체가 일을 했기 때문에 얻은 위치 에너지 분 과 동일
합니다.
그런데, 「전압」관계에 대해 알아 봅시다. 전압을 설명 할 때 나는 산의 고도를 예로들고 있습니다. 전압
이라는 말이 있지만 용어로는 ‘전위’ 라는 것이 좋다고 생각합니다. 전압과 전위는 같은 것입니다.
전위차는 비유 해 말하면 산의 표고입니다. 고도를 측정 할 때 에는 기준이 필요합니다. 그 기준은 임의
로 선택할 수 있습니다. 해수면에서 측정해도 좋고, 다른 위치를 기준으로 하여도 좋습니다.
그래서 낮은 위치 b에서 뭔가 공을 굴려 언덕을 올라 높은 곳에 가져가는 것을 생각하십시오. 실제로
공을 굴리는 때는 공에 걸리는 중력에 반대하면서 공의 위치를 높여가는 일을 합니다. 어떤 곳에서 손을
때면 갑자기 순식간에 가속하면서 굴러갑니다.
전기의 경우는 어떨까요. 예를 들어, 고정 된 양전하가 있고, 그것으로 다른 양전하를 헐래벌떡 가까이 가는 것을 생각하십시오. 양전하 끼리는 반발하기 때문에 그 반발력을 거슬러 작업을 합니다.
손을 떼게 되면 반발력이 가속되고 점점 멀어져 갑니다.
해발에서 아래의 기준 위치 (공을 밀기 시작한 위치)에 굴러가는 공의 운동을 생각해 봅시다. 기준 위치
에서의 고도까지 두 길을 오른 다고 합시다. 하나는 느슨한 슬로프 길이고 멀고 언덕은 느슨합니다.
다른 하나는 가파른 언덕길에서 바로 오를 수 있지만 힘듭니다. 이 두 길을 갈 때, 어느 쪽이 편
입니까? 느슨한 비탈길은 편하지만 시간이 걸립니다. 올라가는 작업을 단계적으로 행보에 분해하면
느슨한 비탈길은 한 걸음 한걸음 일은 작지만, 그것을 여러 번 여러 번 반복하여 목적지 해발 도착할
때는 일은 큽니다. 한편, 가파른 도로 분들은 한걸음 한 걸음 일은 큰 걸음이 되지만 걸음 횟수는 줄어
듭니다.
어느 쪽이 편한가?
작은 일 × 여러번 = 큰 일 × 적은 횟수 입니다. 에서 반대로 높은 고도의 위치에서 공이 아래 온 길을
굴러 떨어지는 모습을 생각합시다. 경사가 완만 한 길을 구르는 때, 공은 조금씩 조금씩 가속 되어
갑니다. 천천히 속도가 올라가지 만, 오랜 시간에 걸쳐 떨어져 가므로, 마지막에는 운동 에너지가 커지
고 있습니다. 가파른 길 분은 쭉쭉 가속이 붙어 순식간에 아래로 위치를 통과합니다. 그러나 이 원래
위치에서 속도 · 운동 에너지는 천천히 느슨한 경사를 굴러왔을 때나 급한 비탈을 순식간에 떨어진 경우
에도 결국은 동일합니다. 돌이켜 생각해 보면 “고도” 라고 말했습니다만 이것은 물체에 걸리는 힘을
거슬러 물체를 이동시키는 일의 집적입니다.
일을 하면 그냥 표고가 올라갈 것이라고 생각합니다. 그리고 고도가 올라 갈수록 원래의 위치로 돌아
올 때 빠른 속도로 통과합니다.
또 하나 주의해야 합니다. 산 위에 공을 높일 때, 공의 질량이 클수록 단계적 일은 힘들어 합니다.
그것은 공의 질량에 비례하여 공에 걸리는 중력이 크게 되기 때문입니다.
전기의 경우도 마찬가지입니다. 전하 일 전기 힘은 그 전하의 전하량 에 비례합니다.
이것은 슬로프는 같은데, 짐이 다르게 되고 작업이 달라집니다.
그래서 이 짐의 단위 량을 들고 있다고 가정 합시다.
단위 짐을 드는 일의 통합을 고도와 대응시켜 봅시다. 전하의 단위로 표현하면
“1 쿨롱의 전하에 일을 하여 전하가 1 줄의 위치 에너지를 얻은 때 전하의 전위는 1 볼트 만 높아졌다 ” 라는 것입니다.
일을 하기 전에 원래 전위에 돌아 오면 전하 단지 1 줄 만의 운동 에너지를 가지고 있습니다. 건전지를
사용하여 회로에 전류를 흘리는 것을 생각합시다. 1.5V 건전지는 화학 에너지를 사용하여 전하의 위치
에너지를 크게 합니다. 전자 한 개당으로 하면 1.6 × 10 ^ -19 (C) × 1.5 (V) 만 위치 에너지가 화학
반응에 의해 전자에 주어집니다. 이 전자는 위치 에너지를 운동 에너지로 바꾸면서 회로 속을 운동 해
나가고 있습니다. 건전지가 산이 되고 굴러가는 것이 회로 내의 전류가 됩니다.
그런데, 전위가 높아지고, 위치 에너지가 커진 전하는 운동을 시작합니다. 이 운동의 원인은 원래
그 전하에 걸려있는 힘입니다. 아까까지 힘을 거슬러 이동되어 온 것이 이번에는 힘에 따라 가속되어
가는 것입니다. 다시 산 이야기로 되돌아갑니다. 공이 굴러 떨어질 때, 가속되는 방법은 언덕길의 경사도
에 따라 결정됩니다. 경사가 급하게 되면 가속이 큽니다.
실제로 언덕길에서 어떤 식으로 가속되어가는 하나는 그 자리에서 기울기의 강도가 문제가 거기가 어떻 고 또 하나는 어디까지 빨라졌다. 것과 같은 인과 관계로 기인 합니다. 즉, 기울기의 힘은 운동의 변화를
결정 하게되어 운동의 집적에 관계합니다. 그래서 전하가 얼마나 가속되는지는 그 위치에서의 전위
(전압)가 아니라 ‘경사’로 결정합니다. 이 전위라는 산의 경사는 “전기장”이라고 합니다. 그 순간 얼마나 가속되는지는 그 자리에서 전기장이 얼마나 있는지에 따라 결정됩니다. 그런데, 전기장은 어떻게 정의
하는 가 하는 것입니다. 이것은 전하 1 쿨롱 당 작용하는 힘으로 정의 할 수 있습니다. 아까도 말했듯이, 전하량에 비례하여 그 전하에 걸리는 힘이 커집니다. 그래서 기준 단위 전하 당에 작용하는 힘을 생각
하고 이를 전기장의 양 이라고 합니다. 전기장의 단위는 “N / C”입니다. 그리고 이 단위는 “V / m”와
동일합니다. 즉, 1m 어긋나면 얼마나 전위가 변화하고 있다는 양 이 됩니다.
설명이 꽤 길어졌습니다. 전위는 단위 전하가 있는 전기적인 위치 에너지입니다.
그 전하가 얼마나 운동 할 수 있는가 하는 능력을 나타냅니다.
그런데 방금 전의 전지를 사용한 회로이지만, 보통의 도체 회로를 만드는 전자는 어디 까지나 가속된
속도라는 것은 없습니다. 열 진동하고 있습니다. 도체 원자에 흩어져 항상 엉뚱한 방향으로 탄력을 받아
날아갑니다. 가속되는 것은 탄력을 받아 날아가서 다음 탄력 때까지 날아가는 곳까지 약간의 시간
입니다. 하지만 그 짧은 시간의 가속이 쌓이고 쌓여서 조금씩 전위가 낮은 쪽으로 이동하고 있습니다.
이 평균 이동 속도는 사실 대략의 과정입니다. 평균적으로는 가속되지 않습니다. 평균적으로 일정한
속도로 전자가 이동하고 있을 때만, 옴의 법칙이 성립됩니다.
이 글은 퍼온글 이며 번역 글 입니다. 원문은 아래 링크를 참고 하시기 바랍니다.
http://topicmaps.u-gakugei.ac.jp/phys/matsuura/lecture/electromag/contents/elpotential/electric_potential.htm
전류와 전압, 개념 잡기
안녕하세요.
제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.
전기 용어 중에 우리가 가장 자주쓰는 용어가 있다면 ‘볼트(Volt)’라는 단어를 꼽을 수 있습니다. 여러분도 아시다시피 ‘전압’을 뜻하는 용어죠. 우리나라는 가정용 전압으로 220V를 쓰고 있고, 110V를 쓰는 나라도 있습니다. 위 사진처럼 사용하는 전압에 따라서 플러그 모양도 다릅니다.
이번 시간에는 「전기와 자기」 단원에서 가장 중요한 전류, 전압에 대해서 자세히 공부해보겠습니다. 먼저 앞서 배운 ‘전하’가 무엇인지 충분히 이해하고 오셔야 이번 학습 자료도 쉽게 공부하실 수 있습니다.
*** 개념 이해하기
■ 전류 [electric current, 電流]
전류(電流)라는 단어에서 ‘current, 流’라는 단어는 ‘흐르다’라는 뜻을 가지고 있습니다. 그렇다면 전류란 무언가가 ‘흐른다’는 말인데요, 과연 무엇이 흐르는 걸까요?
전류의 정의를 교과서에서 찾아보면 ‘전하의 흐름’이라고 설명되어 있습니다. 전하는 전기적 성질을 의미하니까, 전류란 ‘전기적 성질이 흐르는 것’이라고 생각할 수 있어요. 그런데 성질이 흐른다니, 과연 이게 무슨 말일까요?
원자를 이루는 양성자와 전자 중에서 실제로 움직이는 건 가벼운 ‘전자’입니다. 특히 양성자가 끌어당기는 힘을 벗어날 수 있는 전자를 ‘자유전자’라고 하는데요, (-)전하를 가진 자유전자가 한쪽 방향으로 이동할 때, 흐르는 것처럼 움직일 때, 이것을 ‘전류’라고 하는 것 입니다.
그렇다면 (-)전하를 가진 전자는 어떤 힘으로 이동을 하는 걸까요? 전류가 흐르는 이유를 알아봐야겠지요?
■ 전위 [electric potential, 電位]
전류를 흐를 수 있게 하는 힘에 대해서 바로 설명하기 전에 ‘전위’에 대해서 이해하고 넘어가야 합니다.
전위(電位)의 한자 뜻은 ‘전기의 위치’라는 뜻입니다. 정확하게 말하면 ‘전기의 위치에너지’인데요, 위치에너지(potential energy)가 무엇인지 2학년 과학 과정에서 배웠지요? 폭포 사진으로 간단하게 이해해봅시다.
물은 흐를 수 있는 통로가 있다면 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 중력 때문이죠. 높은 곳에 있는 물이 위치에너지가 크고, 낮은 곳에 있는 물은 위치에너지가 작겠죠. 물은 위치에너지가 큰 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 하지만 같은 높이에 있는 물은 흐르지 않겠죠.
정리하면 ‘ 위치에너지 차이가 있어야 물이 흐른다 ‘라고 말할 수 있습니다.
전기도 이와 마찬가지라고 생각하면 됩니다. 물론 우리가 생각하는 높낮이 차이는 아니지만, 전기적인 에너지 차이, 전위(전기적 위치에너지)가 차이가 있어야만 전기가 흐릅니다 . 이때, 전위의 높고 낮은 차이를 ‘ 전위차(potential difference) ‘라고 하죠.
그렇다면 이런 전위의 차이는 무엇이 만들어내는 것일까요?
바로 우리가 사용하는 건전지나 배터리입니다. 건전지와 배터리가 전위차를 만들어내고, 그 힘으로 전기가 흐르는 거죠. 결국 전기를 흐르게 하기 위해서는 건전지나 배터리같은 전원이 필요한 겁니다.
■ 전압 [voltage, 電壓]
앞서 말한 전위차로 생긴 전기적 압력 을 ‘전압’이라고 합니다. 전류를 흐르게 하는 힘 이 바로 ‘전압’인 것이죠. 결국 전압을 만드는 것이 바로 건전지와 배터리라고 할 수 있습니다.
전압의 단위는 우리가 잘 아는 것처럼 [V, 볼트]를 사용합니다.
★ 물의 흐름으로 이해하기
펌프로 물을 끌어올려 물레방아를 돌리는 구조를 생각해봅시다.
펌프가 물을 끌어올려서 물의 높이 차이를 만들고, 이 압력으로 물이 흘러내려와서 물레방아를 돌리게 됩니다. 이 구조를 전기 회로에 비유해볼게요.
전지가 전기적 에너지 차이(전위차)를 만들어내고, 그 압력(전압)으로 전류가 흐르게 되어 전구에 불이 켜지게 됩니다.
펌프 = 전지 밸브 = 스위치 물레방아 = 전구 물의 높이 차이 = 전위차 수압 = 전압 물 흐름 = 전류
이렇게 비유할 수 있겠네요.
위 내용을 한 문장으로 정리해볼게요.
건전지와 배터리가 전위차를 만들어내고 전압(전기적 압력)이 생기면 이 압력으로 (-)전하를 띤 전자가 이동해서 전류가 흐르게 되는 것입니다.
개념 정리가 조금 되셨나요? ^^
*** 전류, 더 자세하게 알기
■ 전류의 방향
전지와 스위치가 연결된 전기회로에서 스위치를 열어두면 전류가 흐르지 않습니다. 이때 전자들은 방향성 없이 여러 방향으로 움직이고 있겠죠. 그러다가 스위치를 닫으면 한쪽 방향으로 전류가 흐르게 됩니다. 과연 전류는 어느 방향으로 흐르는 걸까요?
전자의 존재가 발견되기 전 아주 옛날 과학자들은 (+)극 근처가 전위가 높다고 생각하고, (-)극 근처는 전위가 낮다고 생각했습니다. 이 생각에 따라서 ‘전류란 (+) → (-) 방향으로 흐른다’고 정했죠.
하지만 전자의 존재가 밝혀지고 실제로 움직이는 전자는 전기적 성질에 의해 (-) → (+) 방향으로 흐른다는 사실도 알게되었습니다.
어떤 이유에서인지는 모르지만, 이러한 사실이 밝혀졌음에도 과학자들끼리 기존에 생각했던 전류 방향을 바꾸지 않고 그대로 사용하기로 했답니다 ^^;; 그래서 우리도 ㅠㅜ 과학자들의 약속을 따라 전류와 전자의 흐르는 방향을 알아두어야 합니다.
– 전류의 방향: (+)극 → (-)극 – 전자의 방향: (-)극 → (+)극
아주 간단한 내용인데도 시험에 자주 나오는 내용이니 꼭 기억하시길 바래요.
■ 전류의 세기
전류의 세기는 1초 동안에 전선(도선)의 단면을 통과하는 전하의 양 으로 나타냅니다. 뭐, 사실 이동하는 건 전자니까 전자의 개수 죠.
전류의 단위는 [A, 암페어]를 씁니다.
1A 는 1초 동안 도선의 한 단면을 무려 6.25 X 1018 개의 전자가 통과할 때 전류의 세기 입니다. (정말, 정말, 많은 수의 전자죠)
전기 단원의 기초가 되는 전류와 전압에 대한 개념을 잡아보았습니다. 개념을 정리하지 않으면 교과서나 참고서에 나오는 전하, 전류, 전압에 대해 잘 이해를 할 수 없고, 기초가 흔들리면 앞으로 전기 파트 공부가 힘들어지게 됩니다. 기본 개념을 친구에게 설명할 수 있을 정도로 공부하고 이해하시길 바랍니다.
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