[공부] 전류, 전압, 저항

이번 시간에는 중학생을 위해  전류, 전압, 저항의 각 개념들과 서로간의 관계

그리고 직렬연결과 병렬연결까지 공부해 보도록 하겠습니다!

 

전류와 전압

출처:https://t1.daumcdn.net/cfile/tistory/9987774A5DB6FE1904

1. 전류 (Current) 전류란 무엇일까요? 간단하게 말하면, 전하의 흐름입니다. 예를 들어, 전지나 배터리에서 전자들이 한 곳에서 다른 곳으로 이동하는 것을 전류라고 합니다.
   • 전류의 방향: 전자의 이동 방향과 반대입니다.
     • 전자의 이동 방향: 전지의 (-) 극에서 (+) 극으로 향합니다.
     • 전류의 이동 방향: 전지의 (+) 극에서 (-) 극으로 향합니다.
   ★ 왜 전자의 이동 방향과 전류의 이동 방향이 반대일까요? 과학자들은 전자의 존재를 알기 전에 전류의 방향을 (+) 극에서 (-) 극으로 정했습니다. 그 후, 전류는 전자의 흐름이고, 전자는 (-) 극에서 (+) 극으로 향한다는 사실이 밝혀졌지만, 편의상 전류의 방향을 그대로 사용하기로 결정되었습니다. 따라서 전류의 방향과 전자의 이동 방향이 반대로 된 것입니다.
   • 전류의 세기 (I): 1초 동안 전선의 단면을 통과하는 전하의 양을 의미합니다.
     • 단위: A(암페어), mA(밀리암페어) → 1A = 1000mA
     • (1A는 1초 동안 도선의 단면을 6.25 x 10^18개의 전자가 통과할 때의 전류 세기를 나타냅니다.)
2. 전압 (Voltage) 이제 전압에 대해 알아볼까요? 전기 회로에서 전류를 흐르게 하는 능력을 말합니다. 비유를 들어보자면, 펌프로 물을 끌어올리면 물의 높이 차이 때문에 생긴 수압에 의해 물이 흐르는 것처럼, 전기 회로에서는 전지의 전압에 의해 전류가 흐릅니다.
   • 전압의 단위: V(볼트)

 

 

물의 흐름 전류 물레방아 전구 물의 높이 차 전압 펌프 전지 수도관 도선 밸브 스위치

구분	전류계	전압계
차이점	·전류의 세기를 측정하는 도구 ·전기 회로에 직렬로 연결한다.	·전압의 크기를 측정하는 도구 ·전기 회로에 병렬로 연결한다.
공통점	·(+)단자는 전지의 (+)극 쪽에 연결하고, (-)단자는 전지의 (-)극 쪽에 연결한다. ·전류와 전압을 예상할 수 없을 경우, (-)단자 중 최대 전류값 또는 최대 전압값이 가장 큰 단자부터 연결한다.

 

B. 전류와 전압의 관계

1. 전기 저항 (Resistance) 전기 회로에서 전류가 흐르는 것을 방해하는 정도를 나타내는 개념입니다. 저항의 단위는 옴(Ω)이며, 1Ω은 1V의 전압을 걸었을 때 1A의 전류가 흐르는 도선의 저항을 의미합니다.
   • 전기 저항이 생기는 이유: 전류가 흐를 때 전자들이 이동하면서 원자와 충돌하기 때문입니다.
   • 전기 저항에 영향을 주는 요소:
     • 물질마다 원자의 배열 상태가 다르기 때문에 전기 저항이 달라집니다.
     • 물질의 길이가 길면 전기 저항이 커지며, 단면적이 좁을수록 전기 저항이 커집니다.
2. 전류, 전압, 저항의 관계
   • 저항이 일정할 때:
     • 전압이 클수록 전류의 세기가 커집니다. (전류의 세기 ∝ 전압)
   • 전압이 일정할 때:
     • 저항이 클수록 전류의 세기가 약해집니다. (전류의 세기 ∝ 1/저항)
   • 옴의 법칙:
     • 전류의 세기(I)는 전압(V)에 비례하고, 저항(R)에 반비례합니다. (전류의 세기(A) = 전압(V) / 저항(R))

C. 저항의 연결

1. 저항의 직렬연결과 병렬연결 

 

• 전구의 밝기:

 

1. 전압이 일정할 때 전구 2개를 직렬연결하면 전구 1개를 연결했을 때보다 전구의 밝기가 어두워집니다.
2. 전압이 일정할 때 전구 2개를 병렬연결하면 전구 1개를 연결했을 때와 전구의 밝기가 같습니다.

 

1. 직렬연결과 병렬연결의 사용 예:

 

• 직렬 연결: 전기 회로에서 순차적으로 연결됩니다. 전구 2개를 직렬로 연결하면 전류가 각 전구를 통과한 후 다음 전구로 이동하므로 전구의 밝기가 어둡습니다. 예를 들어, 크리스마스 트리의 전구들이 직렬로 연결되어 있습니다.
• 병렬 연결: 여러 개의 전구가 병렬로 연결되어 독립적으로 작동합니다. 전구 2개를 병렬로 연결하면 각 전구가 독립적으로 전압을 받아 밝기가 유지됩니다. 예를 들어, 집 안의 조명 전구들이 병렬로 연결되어 있습니다.

 

 

2 직렬연결과 병렬연결의 사용 예

①직렬연결의 사용

퓨즈	화재감지기	장식용 전구
전기기구에 과도하게 센 전류가 흐르면 퓨즈가 끊어져 회로에 더 이상 전류가 흐르지 못하도록 한다.	평상시에는 회로가 끊어져 있다가 장치 속의 금속이 열 을 받아 휘어지면 회로가 연결되어 경보 장치가 작동한 다.	모든 전구가 함께 꺼지고 켜지며, 전구하나가 고장나면 모든 전구에 불이 들어오지 않는다.

출처:https://i.namu.wiki/i/9EhUd19YMLIXRNJgJP-_JTilDn7chzc8-j3b67kw-Hh0I83ZyQoKyvaGNDX-eJiSRTh8B4K0vf8jEz9qm7COAQ.webp

②병렬연결의 사용

멀티탭	전기 배선	가로등
멀티탭에 여러 전기 기구를 함께 연결해도 각 전기 기구 에 220V의 같은 전압이 걸린다.	건물의 전기 기구는 병렬로 연결되어 있어 각각 따로 켜 거나 끌 수 있다.	한개의 가로등이 고장나도 나머지 가로등에는 영향을 미 치지 않는다.

병렬연결의 장점

 

1. 같은 전압 걸림: 병렬연결된 저항들은 각각 독립적으로 같은 전압을 받습니다. 즉, 저항의 수가 얼마나 많던지 간에 각 저항에 걸리는 전압은 동일합니다. 이것은 전압의 일관성을 유지해주며, 하나의 저항을 제거하더라도 나머지 저항에 걸리는 전압에는 변화가 없음을 의미합니다.
2. 저항의 합성: 병렬연결된 저항들의 합성 저항은 개별 저항의 역수들의 합의 역수로 계산됩니다. 이로 인해 병렬연결된 저항의 총 저항은 개별 저항들 중 가장 낮은 저항값보다 작아집니다. 따라서 저항을 효과적으로 감소시키는데 도움이 됩니다.
3. 성능 유지: 병렬연결된 저항 중 하나가 고장이 나더라도 나머지 저항들은 정상적으로 작동합니다. 이는 전체 회로의 성능을 유지하는 데 도움을 줍니다. 특히 병렬연결된 전구들 중 하나가 손상되더라도 다른 전구들은 여전히 작동하여 전체 조명이 유지될 수 있습니다.

이러한 장점들로 인해 병렬연결은 전기 회로 설계에서 중요한 역할을 합니다. 같은 전압을 유지하면서도 저항의 합성 효과를 활용하여 효율적인 전류 분배를 가능하게 하며, 장애 발생 시 전체 시스템의 안정성을 유지할 수 있습니다. 이런 병렬연결의 장점은 전기 회로 설계와 응용에서 매우 유용하게 활용됩니다.

 

이렇게 전류와 전압의 관계, 그리고 저항의 연결 방법에 대해 알아보았습니다. 전기 회로의 다양한 특성을 이해하면서, 전기에 대한 지식을 더욱 확장해 나갈 수 있을 것입니다.