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물리학

직류 회로의 정의와 구성 요소와 작동 원리를 알아봅시다.

by Backtothe30 2022. 7. 25.

다양하고 복잡한 전자장치들이 많지만 작동원리를 정확하게 이해하기 위해서는 최소 기능 단위인 회로로 나누어 전류의 크기와 방향을 확인하는 것에서부터 시작하여야 합니다. 개별 구성단위의 전류의 크기, 흐름 등을 이해하지 않고 전체 회로가 어떻게 동작하는지 파악하는 것은 사실상 불가능합니다.

회로 분석의 시작

복잡하다고 생각되는 회로도 우선 각 부품을 분리하여 여러 하위 회로가 어떻게 구성되고 매칭이 되는지 분석함으로써 비록 시간이 걸릴지라도 개별 동작 및 상호 연관성을 정확하게 파악할 수 있습니다. 그러므로 회로 분석은 가능한 가장 간단한 구성 요소를 먼저 파악하고 다루는 것에서부터 시작하여야 합니다.

 

직류 회로

직류 회로는 전류가 일정하고 시간에 따라 변하지 않는 회로로 정의할 수 있습니다.

 

 

전류, 전압 그리고 저항

전하의 운동이 전류를 형성합니다. 전류 I는 전하 Q가 단위 시간에 특정 지점을 통과하는 양입니다. 전류는 프랑스 과학자 앙드레 마리 암페르의 이름을 따서 암페어(A) 단위를 사용합니다. 구리, 은과 같은 여러 금속 물질은 외부의 전장에 반응하여 움직이는 많은 자유 전자를 포함하고 이 자유 전자는 금속 내부의 충돌로 인해 속도를 잃을 때까지 전기장에 의해 가속되면서 전류를 발생시킵니다. 전자를 한지점에서 다른 지점으로 이동시키는데 필요한 에너지를 전위차라고 합니다. 전위차는 전압이라고도 부르며 이탈리아 전기 기술자인 알렉산드로 볼타의 이름을 따서 볼트(V) 단위를 사용합니다. 도체 내에서 자유 전자가 이동할 때 여러 충돌로 인해 흐름을 방해받는 것을 저항이라고 합니다. 저항의 크기는 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 예를 들어 길고 얇은 철사의 저항은 같은 물질의 짧고 두꺼운 철사의 저항보다 큽니다. 저항의 단위는 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 처음으로 발견한 독일의 과학자인 게오르크 시몬 옴의 이름을 따왔고 일반적으로 그리스 기호 오메가(Ω)로 표현합니다.

 

옴의 법칙

도체 내에서 현재 흐르는 전류보다 더 큰 전류를 흘리기 위해서는 더 많은 에너지, 즉 더 큰 전위차가 필요합니다. 다시 말하면 전류와 전압은 비례하고 저항은 비례 상수입니다. 이것이 바로 그 유명한 옴의 법칙입니다.

V=IR


옴의 법칙에 따르면 저항이 있는 도체에 전류가 흐르기 위해서는 도체 양 끝단에 차이 나는 전압이 존재하여야 합니다.

 

줄의 법칙

전기장에 의한 가속에서 발생하는 도체 내의 전자의 운동 에너지는 도체 내에서 비탄성 충돌로 소산 되어 열에너지로 변환됩니다. 따라서 전류가 흐르는 도체의 온도는 약간 상승하며 도체의 저항이 있는데 전류가 흐르면 전력이 소모되는 것을 간접적으로 알 수 있습니다.

P=VI


이 법칙은 영국의 제임스 프레스콧 줄의 이름을 따서 줄의 법칙이라고 하는데 제임스 프레스콧 줄은 저항에서 열의 발생 속도가 전류의 제곱에 비례한다는 것을 실험적으로 발견하였습니다.


 

회로 소자

 

저항기

전자 회로에서 자주 사용되는 부품은 특정 저항값을 갖는 회로 소자인 저항기입니다. 일반적으로 저항값은 몇 옴에서 수천 옴, 심지어 메가 옴까지 다양합니다. 저항기에 삽입된 회로에 전류가 흐르면 저항 전후단에 전위차가 발생합니다. 와이어 권선 저항기는 절연 지지대에 미세한 와이어로 매우 길게 감아서 만듭니다. 저항값은 와이어의 단면적을 줄이고 길이를 늘임으로써 증가시킬 수 있고 저항률이 큰 재료를 사용하여 증가시키기도 합니다. 얇은 와이어를 감은 저항기는 저항기의 온도를 크게 상승시켜 충분한 열을 방출하고자 하는 경우에 사용됩니다. 저항값은 적절한 와이어 길이를 선정함으로써 매우 정밀하게 조정이 가능하므로 정확한 저항값이 요구되는 산업 분야에 매우 유용합니다. 박막 저항기는 금속의 박막을 절연 지지대에 겹치게 붙여서 만듭니다. 큰 값의 저항은 접착 두께를 증대시키면 됩니다. 균일한 박막은 만들기 어렵고 붙이는 과정에도 제조 편차가 발생하여 와이어를 감은 저항보다 정확하게 저항값을 제어하는 것은 매우 어렵습니다. 하지만 상대적으로 와이어 타입 저항의 인덕턴스 성분 때문에 발생할 수 있는 문제가 전혀 없어 고주파 회로에 매우 유용하게 사용됩니다. 저항은 회로에 삽입할 수 있도록 저항에서 와이어서 양쪽으로 돌출된 리드 와이어 타입으로 설정되어 있습니다. 저항 몸체에는 저항값을 나타내는 색상 표시가 되어 있습니다. 일반적으로 사용하는 저항기는 저항값이 변하지 않는 고정 저항기이지만 조건에 따라 다른 저항값을 사용해야 하는 경우는 가변 저항기를 사용합니다.


 

배터리

줄의 법칙에 따르면 전기에너지는 전류가 흐르는 때 도체 내에서 소산 됩니다. 전류를 유지하기 위해 공급되는 에너지원으로 화학 배터리를 많이 사용합니다. 배터리 내에서 화학 에너지는 전기에너지로 변환되며 배터리 내의 화학반응은 전류의 존재와 무관하게 배터리 단자 사이에 전위차를 유지합니다. 이 전위차는 일반적인 옴의 법칙에 따라 저항 양단에 나타나는 전위차와 구분하기 위하여 기전력이라고 합니다. 배터리는 회로에서 전류를 유지하는데 필요한 에너지를 계속 공급함에 따라 결국 화학 성분이 고갈되고 그 기능을 상실하는데 이를 방전이라고 합니다. 배터리 내부의 화학 성분에 따라서는 지정된 배터리 단자와 반대 방향으로 전류를 흐르게 하여 배터리의 원래 화학 조성으로 되돌릴 수 있고 이를 충전이라고 합니다. 현시점 배터리로 가장 많이 활용되고 있는 것은 리튬 이온입니다. 같은 크기에서 상대적으로 에너지 효율이 높고 가벼워 소형화가 가능한 장점이 있습니다. 하지만 상대적으로 가격이 높고 리튬 이온의 불안정한 특성상 고온에서 폭발 위험이 항상 존재합니다.

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