안녕하세요
공직자에요!
오늘은 전압에 대해서 설명을 드리도록 하겠어요!
전압이란 흔한거...
너무나 많이들어보셨겟지요
220[V]가 어쩌구.... 110[V]가 어쩌구
비전공자의 머릿속에는 전압이 뭔진 정확히 몰라도 콘센트에 플러그를 꼽아야
내가 원하는 기구를 동작시킬 수 있다 정도는 모두 아실겁니다.
전압이란건 눈에 보이지도 않고
수치로 표현되는 의미가 뭔지 이해도 안가는데
높은 전압을 주면 뭔가 쌘놈이 나올 것 같은 느낌이 들지요.
느낌은 있으나....
제가 장담컨데 대한민국의 수많은 전기공학도 및 기타등등 엔지니어들은
전압을 이해하지 못합니다.
전압을 이해한다는건 신만이 가능한 일이겠죠.
뭔가를 이해한다는건 머릿속으로 그리고 설명할 수 있다는 의미인데
전압을 설명할 수 있는 분은 많아도 머리로 그릴 수 있는분이 있다면
제가 스승으로 모시도록 하겠습니다.
먼저,
볼트라는 놈이 어떻게 탄생했는지 살펴볼까요?
사실 볼트라는 것은 이탈리아 물리학자 이름입니다.
Alessandro antonio Volta(알렉산드로 안토니오 볼타)
이탈리아 돈에는 그의 얼굴의 지폐에 새겨질 정도니
얼마나 훌륭한 아저씨인지 가늠이 가시죠.
이아저씨는 아니나 다를까
잘난 집안에서 태어나서 할일이 없던 나머지
얼마나 할게 없었으면 18살에 전기 실험을 시작하고
1796년 전지를 발명하기에 이릅니다.
볼타라는 아저씨는 전기가 연속적으로 일정한 방향으로 흐를 수 있도록
전지와 커패시터를 발명한 아저씬데
다른 과학자와 다르게 이론을 정립하기 보다는
전기라는 보이지 않는 놈을 제어하게 될 수 있게끔 만들어준
훌륭한 엔지니어였죠.
눈에 보이지도 않는 전기를 제어할 수 있도록 유형 도구를
만들었다는건 실로 엄청난 혁명이라고 생각됩니다.
그럼 이쯤에서 네이버 백과에 기술된 정의를 들고와봅니다
초등 과학 용어사전에 전압의 정의가 저렇게 나타나있습니다.
저는 필드 엔지니어고 아직도 저말을 왜저렇게 어렵게 표현하는지 모르겠어요.
솔직히 저말만 딱듣고 무슨 얘긴지 그림이 떠오르지 않는게 사실입니다.
설명을 읽고도 머릿속에 그림을 그릴 수 없다면 그건 완벽히 이해하지 못한거라 생각하기 때문에
제 딴에는 전압을 이해하기 위해서 조금더 노력을 기울일 필요가 있었습니다.
그래서 생각해봤습니다!
앞선 포스팅에서 전자라는 것에 대하여 설명했었죠
전자는 양성자에 비해 몸이 가볍고 쉽게 움직일 수 있기 때문에 다른말로 자유전자라고 표현하기도
한다 했습니다.
그렇다면 전자는 왜!
이동을 할까요??
정답은...
이 분이 아십니다.
허나 그분께서는 늘 우리의 질문에 리플을 달지 않으시므로...
나름대로 고민을 해봅니다.
일전에 말씀드렸다시피 공학을 배운다는 것은 자연계의 현상을 충분히 이해하고
인간의 삶에 유리하게 이용해 먹는 기술을 배우는 것이라 표현드린 바 있습니다.
자연계는 안정적인 상태를 매우매우 좋아합니다.
왜인지는 모르겠는데
남자는 여자에게 끌리고
양성자와 전자는 서로 끌리고
N극과 S극은 서로 끌어당긴답니다.
왜 끌리냐고 물어본다면...
... 하나님만 답을 아십니다.
공학자는 질문이 달라야 합니다.
그래서 어떻게 써먹을 수 있는건데?
전자와 양성자가 서로 끌어당긴다면....
전자와 양성자를 아주아주 극단적으로 만들어서!
서로 끌리게 하면 되겠네!
하지만 서로 붙어버리면 안정적인 상태가 되어버리니까
아주 가까운 거리에 두되 붙을 수는 없게 해야지!
라는 생각을 한 것이죠.
전지는 그래서 등장을 하게 되었답니다.
한쪽에는 양성자만 왕창 넣고.
한쪽에는 전자만 왕창 넣어서
평소에는 서로 끌리게끔 만들어 놓습니다.
다만 둘 사이는 절연처리되어 있어 만날 수 없답니다.
DMZ가 있는데 지뢰를 뚫고, 적의 감시망을 뚫고 월북하는 용자는 없겟죠?
비유가 적절한지 모르겟으나 이해하기 쉬우라고 설명하는 부분이니
이렇게 분리되어 있구나 생각하시고 넘어가주시기 바랍니다.
자.
+ 와 -는 서로 끌어당겨야 하는데 된통 움직일 구멍이 없는 겁니다.
저게 바로 전지의 구조에요.
전지에다가 전자가 아주잘 움직일 수 있는 도체를 깔아주면 어떤현상이 벌어질까요?
대충 그림으로 그려보면 요런 느낌이겟죠.
전자들이 신이나서 +를 향해 달려갈겁니다.
물론 그 사이에는 브로커가 있어야겟죠.
브로커없이 달려갔다가는 터집니다 ^^;;
(실제로 뻥하고 터짐. 단락!! 주의)
+ 와 -가 많으면 많을수록 많은 전자가 이동할 수 있을겁니다.
또한 도체가 전자가 얼마나 잘흐를 수 있는 구조로 되어있느냐에 따라서 그 효율이 달라지겟죠.
보통의 회로이론 책에는 전압이란걸 설명할떄 아주 뽀대나보이는 말들을 사용합니다.
예를들어
-> 두 지점 a와 b사이의 전압 V(ab)는 a지점에서 b로 단위 전하를 옮기는 데 필요한 에너지
(또는 일)라고 하고 수식으로는 Vab= dw / dq 로 표현을 하는데요
w는 에너지 단위이고, 단위는 줄(J)을 사용하고 q는 앞에서 배웠던 쿨롱이에요.
겁나 어렵죵?
이말은 저도 어렵습니다.
에너지라는 개념이 워낙 추상적인기도 하고 전자라는 놈도 눈에보이지 않는데
단위 전하를 기준으로 두는것 자체가 도대체 머리로 그릴 수 없는 그런 단위입니다.
우리가 흔하게 말하는 220볼트 110볼트라는 말 뒤에는 이런 어려운 뜻이 숨겨져 있었습니다.
풀어서 해석을 해보면...
포커스는 전자 몇마리를 움직일때 얼마나 일해야되냐에요!
먼저 전압의 정의 수식 (Vab= dw / dq)에서 분모를 해석해보지요.
dq가 뭔가요?????
전자라는 놈은 전기적인 힘을 가진다고 하였죠.
전자 한마리당 1.6*10^-19 만큼의 전기적인 힘을 가진다고 설명드렸었습니다.
전자가 10^19 마리만큼 있다면 총 전하량은 1.6[C]이 되겠지요
그렇다면 dq값은 1.6이 됩니다.
그다음
dw가 뭔가요??????
이걸 이해하기 위해서는 에너지라는 놈을 이해해야 합니다.
먼저 줄(J)이라는 단위를 이해할 필요가 있겠네요
(네이버 뒤적뒤적...)
줄은 에너지(energy), 일(work)과 열량(amount of heat)의 단위로 국제단위계의 유도단위이며, 기호로 J를 사용한다. 1 J은 물체에 1 N의 힘을 가해 물체가 힘의 방향으로 1 m 이동했을 때 힘이 물체에 해준 일이며, J를 국제단위계의 기본단위로 표현하면 m2·kg·s-2이다.
[네이버 지식백과] 줄 (단위) [Joule] (물리학백과)
도대체가 이해가 안간단 말입니다.
줄이라는 놈은 물체에 1N의 힘을 가해서 물체가 힘의 방향으로 1m 이동했을때를 1J이라고 한다는데 말이죠
전자라는 놈에 1N의 힘을 가해서 전자가 1m를 이동했을 때를 1J로 볼 수 있는거라고 해석해야할까요?
이게 가당키나 한말인가요?
아닙니다.
JOULE이라는 단위는 보다시피 열도 포함되고 빛이나 기타등등의 에너지도 모두 포함이 됩니다.
즉, 전자를 이동시킬 수 있는 에너지를 의미한다기 보다는 전자가 이동하면서 발생하는 열이라든지
빛이라든지 여러형태로 방출되는 것이죠.
그런 에너지를 모두 모아놓은 것이 바로 에너지라고 부를 수 있는 dw값 입니다.
헌데 대체!!
빛 에너지, 열 에너지 기타등등을 어떻게 계산을 할 수가 있는건가요?
정답?
에너지 보존의 법칙에 의해
일을 할 수 있는 추상적인 무언가(에너지라고 보통부름)는 서로 교환이 될 뿐이지
중간에 새로생기거나 소멸되지 않죠.
즉, 전기던 소리던 빛이던 어쨋든 에너지간의 변환만 이루어질 뿐이지
없던게 새로 생기지 않으며, 있던게 소멸되지 않는다는 의미입니다.
문제는 전기라는 녀석이 너무나 생소하다는 겁니다.
빛이나 소리나 열처럼 느껴지거나 보여지는 게 아닌 전기라는 놈은 더더욱 그 수치를 측정하기 어렵죠
해서 전기에너지를 열에너지나 기타 측정가능한 에너지 단위로 최대한 비슷하게 변환하여
수치로 나타낼 수 있는 실험을 강행합니다.
어쨋든 전기라는놈의 에너지를 정의하긴 해야겠는데 기준이 없으니
다른 분야에서 쓰는 에너지 기준을 가지고와서 전기라는 형태의 에너지가 열로 치환되었을때
혹은 빛으로 치환되었을때 어느 정도의 수치를 가지고 있는지를 측정한 것이죠.
우리 똑똑한 줄아저씨는 모든 에너지를 하나의 단위로 묶어준
고마운 아저씨에요.
참고하세용
- 출처 싸이언스올 -
영국의 물리학자 1. P. 줄이 열의 일당량(當量)을 측정하기 위해 1843년에 한 실험. 액체 속에 잠기게 한 날개차를, 추를 떨어뜨려 회전시키고, 이때의 액체의 온도 상승을 재어 액체가 받은 열량을 측정한다.
추의 낙하거리로 추가 해낸 일의 양을 알아냄으로써 열의 일당량을 구할 수 있다.
본론으로 돌아옵시다.
dw는 에너지간의 변환을 통해 측정된 값이에요.
예로 4.2KJ의 단위가 측정되었다는건 전기에너지를 또다른 에너지로 변환하여
계산된것으로...
에너지간 열변환 효율이 몇프로가 기대된다고 가정했을때의 결론인거죠.
즉 dw가 4.2KJ이라고 정확한 값은 아니라는 겁니다.
모든 전기에너지를 열에너지로만 변환할 수는 없거든요.
dw = 4200J
dq = 1.6c
V = 2,625[V]
전압을 계산했네요.
그럼 궁금합니다.
220[V]나 110[V]같은 단위들은 대체 어떤 분자와 분모값을 가지고 있기에
저런 수치적인 결과가 나왔을까요?
결론을 먼저 말하겠어요
220[V] 110[V]는 수식의 결과물이 아닙니다.
실험적으로 느낀거죠.
220[V]가 정확하게 몇마리의 전하가 이동한지도 모르고 몇줄이 흘렀는지도 잘모르지만
(수식으로 계산하는건 회로이론 연습문제에서나 가능하고 실제로는 불가능함.
공학은 수학이 아님.)
220[V]라는 전압을 10옴이라는 저항에 흘렸을때 22[A]가 흐르는구나 라고요.
전압이라는 놈이 정의가 존재하긴 하지만
눈에 보이지도 않는 에너지 개념과 눈에 보이지도 않는 전하의 이동으로 표현되다 보니
사람들이 불편함을 느낀나머지
220[V]라는게 얼마의 일을 할 수 있는지 실제 사례로 치환하여 직접 느껴보면서
220[V]라는 힘을 이해하기 시작한겁니다.
이게 바로 여러분이 전압을 헷갈리지만 이해할 수 있었던 스토립니다.
여기까지 기나긴 스토리었습니다.
이제는 스토리를 이해했으니
혼돈속 정의된 이름들로 정립된 이론과 규약들을 살펴보도록 하겠어요
1번 그림.
V(ab)는 이렇게 정의합니다
a라는 지점이 b라는 지점보다 24[V] 전압이 높네!
수식으로 정리해보면 다음과 같습니다.
V(ab) = -V(ba)
별거 아닌거 같은 이 수식
정말로 무지하게 헷갈리니 반드시 정확하게 이해하고 넘어가주세용
V(ab)는 a지점이 b보다 ~ 하다 였으니까
V(ba)는 b지점이 a보다 ~하다 이겠죠
즉, V(ba)는 b지점이 a점보다 전압이 -24[V] 높겠죠.
이번엔 그림 2 등장
b라는 지점이 a라는 지점보다 전압이 24[V] 높군?
마지막 그림 등판! 방금 했떤겁니다
이건 뭐라고 해석할까요?
정답!은 위를 다시보시는걸로
여기서 대답 똑바로 못하시면 위에 제가 강조드린 수식 넘겨짚고 넘어가신거임!
전압은 바로 전포스팅에서 직류 교류를 설명하면서 전류의 종류에 대해서 말씀드렸던 것과 같이
직류 전압과 교류전압으로 나뉩니다.
직류전압은 DC 전압이라고 부르고 영어기호로는 대문자 V로 나타내며
시간에 따라 변하는 교류전압은 AC 전압이라고 부르고
영어기호로는 소문자 v로 나타낸답니다.
자 오늘 설명 여기까집니다.
무슨 전압 얘기를 이리 길게했느냐구요?
다시 볼수록 새로운 전기공학은 여러번 곱씹어야 제 색깔이 보입니다.
저도 지금으로부터 더 경력이 쌓이고 능력이 성장하면 또다른 관점에서 전기공학 이론들이
습득되겠지요.
모든 이론에 스토리를 쌓아서 전문가가 되보세요!
끝.
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