전압과 전류의 정의

전압과 전류의 정의

1. 전압의 정의

도체 내에서 전자가 이동하기 위해서는 에너지가 필요하게 된다. 이러한 에너지를 얻기 위해서는 전기적인 위치에너지의 차이가 필요하게 되고 이것을 전위차라 한다. 한쪽에는 양의 전하가 한쪽에는 음의 전하가 존재하는 경우 두 곳은 전기적인 위치에너지의 차이가 존재하게 된다. 이 전위차 때문에 전하기 이동하게 되고 이 두 점간의 에너지 차를 전압(V)이라 하며 단위전하가 이동해 일을 하게 될 때 1쿨롱의 전하가 한 일로 정의한다.

 

2. 전류의 정의

모든 물질은 분자 또는 원자의 결합으로 되어 있으며, 자유전자를 가지고 있다. 원자핵의 구속에서 이탈하여 자유로이 이동할 수 있는 전자로 이 자유 전자의 이동을 전류라고 한다. 전류의 단위는 SI계로 암페어(A)로 표기한다.

3. 전압 강하

전원에서 에너지를 공급하는 경우를 전압상승이라고 하며, 전압강하는 전기회로의 전원에서 공급된 전압에 의해 전류가 이동하면서 회로의 저항(직류) 또는 임피던스(교류)에 의해 처음의 전위에너지를 잃게 되어 전위가 낮아지는 현상을 전압강하라 한다. 전류가 전기 페텐셜 에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동을 하므로 전압강하는 전류가 흐르는 회로의 모든 부분에서 발생한다. 전류가 두 전위 사이를 흐를 때 저항을 직렬로 여러 개 연결하면 전류가 각 저항을 통과할 때마다 옴의 법칙[전압(V)= 전류(I)·저항(R)]만큼 전압이 작아져 나타나는 현상을 전압강하라 한다. 이때 전체 전압은 각각에 걸린 전압의 합이 된다. 또한 변압기에서도 변압기 원리에 의해 1차 코일(전원쪽)에 비해 2차 코일(출력쪽)이 작을 때 감은수의 비율만큼 작아진다. 이 경우도 전압 강하의 한 예가 된다. 전압강하를 목적으로 한 변압기를 강압기라 한다. 전위는 단위전하당 전기적 위치 에너지를 일컫는다. 예를 들어, 물이 같은 높이에서 흐르지 않듯 전류도 같은 전위에서 흐르지 않는다. 전위차(전기위치에너지 차이)가 있을 때 비로소 전류가 흐르게 된다. 주어진 전압에 여러 저항을 사용하게 되면 전체 전압은 각각 저항에 걸리는 전압으로 나뉘게 된다.

4. 옴의 법칙

1826년 독일의 물리학자 G. S. Ohm(옴)이 발견했다. 옴의 법칙은 전기회로 내의 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 나타내는 매우 중요한 법칙이다. 전압의 크기를 V, 전류의 세기를 I, 전기저항을 R이라 할 때, V=IR의 관계가 성립한다. 여러 개의 부하가 직렬로 연결된 직렬회로에서는 저항을 통과하는 전류가 같다. 그러므로 각각의 부하에 걸리는 전압이 전기저항에 비례한다. 병렬회로에서는 부하에 걸리는 전압이 같으므로, 각각의 부하에 흐르는 전류가 전기저항에 반비례한다. 예를 들어, 직렬회로에 흐르는 전류가 10A라면 5Ω의 저항의 양 끝에 걸린 전압은 50V다. 10Ω의 저항에는 100V의 전압이 걸린다. 병렬회로에서 전압이 100V라면, 10Ω의 저항에 흐르는 전류는 10A고, 20Ω의 저항에는 5A의 전류가 통과한다.

저항은 전류가 흐른 곳에는 반드시 존재한다. 저항이 0 이라는 것은 전류가 무한대로 흐른다는 것을 의미하므로 실질적으로 존재할 수 없다. 따라서 전류가 흐르고 그 크기가 결정되면, 가한 전압에 의해 저항값이 존재한다. 이것을 정의한 법칙이 옴의 법칙이다.

6. 키르히호프 법칙

독일의 물리학자 G.R.키르히호프(Gustav R. Kirchhoff, 1824∼1887)가 발견한 법칙. 전류에 관한 법칙과 열복사에 관한 법칙 두 가지가 있다. 전류에 관한 법칙은 옴의 법칙을 확장한 것으로 전기회로에서 전류를 구할 때 사용된다. 열복사에 관한 법칙은 일정한 온도에서 같은 파장의 복사(전자기파)에 대한 물체의 흡수율과 방출률의 비는 물체의 성질에 관계없이 일정하다는 것을 보여준다.

키르히호프의 전기회로에 관한 법칙 1849년에 발표되었으며 전자기학 분야에서 정상전류에 대한 옴의 법칙을 일반화하였다. 임의의 복잡한 회로를 흐르는 전류를 구할 때 사용되며, 전류에 관한 제1법칙과 전압에 관한 제2법칙이 있다. 이 두 법칙을 수식으로 나타낸 연립방정식의 해로 전류를 구할 수 있다.

1) 제1법칙

접합점법칙 또는 전류법칙이라고 한다. 회로 내의 어느 점을 취해도 그곳에 흘러들어오거나(+) 흘러나가는(-) 전류를 음양의 부호를 붙여 구별하면, 들어오고 나가는 전류의 총계는 0이 된다. 즉, 전류가 흐르는 길에서 들어오는 전류와 나가는 전류의 합이 같다. 제1법칙은 전하가 접합점에서 저절로 생기거나 없어지지 않는다는 전하보존법칙에 근거를 둔다. 이러한 전류법칙은 "임의의 한 점에서 유입되는 전류의 총합은 그 점에서 유출되는 전류의 총합과 같다"로 정의된다.

2) 제2법칙

폐회로 법칙, 고리법칙 또는 전압법칙이라고 한다. 임의의 닫힌 회로(폐회로)에서 회로 내의 모든 전위차의 합은 0이다. 즉, 임의의 폐회로를 따라 한 바퀴 돌 때 그 회로의 기전력의 총합은 각 저항에 의한 전압 강하의 총합과 같다. 먼저 회로의 도는 방향(시계방향 또는 반시계방향)을 정하고 그 방향으로 돌아가는 기전력 E와 전압강하 IR의 부호를 정한다. 전류와 저항과의 곱의 총계(∑InRn)는 그 속에 포함된 기전력의 총계(∑En)와 같다. 이 법칙은 직류와 교류 모두 적용할 수 있으며, 저항 외에 인덕턴스, 콘덴서를 포함하거나 저항을 임피던스로 바꿀 수 있다. 제2법칙은 에너지 보존법칙에 근거를 둔다. 이러한 전압법칙은 "회로망 내의 임의의 폐회로에 있어서 전원전압의 합은 전압강하의 합과 같다"로 정의된다.