[회로이론] - 옴의법칙 , 본격적인 전기공학의 시작

안녕하세요.

 

공직자에요.

 

회로이론 시즌 2를 시작하게 되었습니다.

 

너무 게을러서 그런건가... 요 며칠은 좀 놀다가... 자다가... 시간이 지나고 정신차려보니

 

21년이 되어버렸어요 ㅎㅎ

 

이제 다시! 본업에 충실해질 시간이 다가온 것 같네요! 

 

오늘은 전기공학의 스타트

 

가장 기초가 되고 가장 중요한 공식을 배워보도록 하겠습니다.

 

아마 중학생, 고등학생 과학책에도 나올법한데요.

(제 경우는 고등학교 하이탑책(물리?)에서 봤던 기억이...)

 

너무나 쉽지만

 

너무나 중요한 법칙에 대한 이야기를 지금 시작할게요!

 

 

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옴의 법칙에서 옴은 독일의 물리학자이름을 따온것인데요.

 

전기공학을 공부하다보면 법칙이 많이 등장하는데 대부분은 과학자의 이름을 따온거랍니다.

 

법칙뿐만 아니라 단위도 사람 이름을 따온 것들이 많죠!

 

위키피디아

옴아저씨는 전압과 전류 저항의 관계를 수많은 실험을 통해 풀어낸 위대한 아저씨에요.

 

시즌 1에서 설명드린바와 같이

 

전압과 전류 그리고 저항을 이해하는 것은 매우매우 중요하죠.

 

왜냐하면, 보이지 않는 전기의 흐름(방향)과 강도를 이해해야

 

내가 원하는 전열기구를 키거나,

 

 

휴대폰의 배터리 용량을 산정할 수 있기 때문이죠.

 

 

결론만 놓고 말해볼까요?

 

옴아저씨는 평생을 전기공학 연구에 몰두하며

 

거듭된 실패 끝에 아래 법칙을

 

증명해냈습니다.

여기서 전압은 문자 V로 표현하고

 

전류는 문자 I

 

저항은 문자 R로 표현합니다.

 

그래서.. 전압과 전류 그리고 저항의 관계를 증명해낸게 뭐가 그렇게 대단한 발견이냐구요?

 

똑같은 전압을 주더라도 다른 전류치가 발생할 수 있다는 사실을 알아낸거죠.

 

예를들어 구리선에

 

전압을 100[V]를 걸때와

 

고무선에 전압을 100[V]를 걸때

 

전류치가 다르다는 것을 발견해낸 겁니다.

 

 

똑같은 전압을 주었는데 왜 이런현상이 발생하는건지 궁금한겁니다.

 

전압이란건 전하를 움직일 수 있는 힘이고, 분명히 똑같은 힘을 주었다면 똑같은 전하의 흐름이

 

발생되어야 한다는 것이 보편적인 생각이죠.

 

힘을 더많이 주면 더많이 움직일거라는 건 초등학생이나 유치원생도 직관적으로 생각해낼 수 있죠.

 

만약..

 

전기도 똑같은 방법으로 움직인다면 힘을 더많이 준다면(전압을 높인다면...) 더 많이 움직일 겁니다(전류가 커진다).

 

근데 이상한거죠.

 

매질마다 이러한 흐름이 다르게 나타난 걸 알게된 거에요.

 

그게바로 물질마다 고유하게 정해져있는 저항이라는 놈 입니다.

 

전압과 전류만으로 그 관계가 결정되지 않고 저항이라는 녀석에 따라 서로 상관관계를 가진다는 것이죠.

 

전압과 전류는 직관적으로 보아도 당연히 비례관계에 있고.

 

저항이라는 놈은 매질에 따라서 달라지는 놈인데

 

이게.. 전하의 흐름을 방해하는 물질로 작용하여 전압을 높게 주어도.

 

전류가 거의 흐르지 않는 물질이 있고(절연체)

 

전류가 어떨때는 흐르고 어떨때는 흐르지 않는 물질이 있고(반도체)

 

전류가 아주 잘흐르는 물질이 있더라는 것이죠(도체)

 

사실 옴의법칙을 오버해서 표현하자면 반도체(삼성전자도 옴의법칙 없었으면 존재하지 않았음)의 시초라고 봐도

 

과언이 아닙니다.

 

위에서도 언급했지만 다시 공식을 가지고와보면

옴이라는 사람이 얼마나 대단한 발견을 한 것인지 느껴지시나요?

 

"에이 뭐 그냥 전압 주고 전류 다르게 나오는거 너무 당연한거아냐?"

 

1826년에 옴의법칙이 알려졌으니

 

이때를 한반도 시점으로 비교하자면,

 

나무위키

나무위키

이쯤되네요.

 

전기가 제대로 연구되기 시작한지 겨우 500년 남짓의 역사

 

멀티미터기도 없던 저시절.

 

전류와 전압을 정량화하고 저항의 관계를 이끌어냈다는걸 감히 표현하면

 

흡사 故 정주영 회장의 불굴의 맨땅 헤딩 성공신화와 견주어도 손색없는 엄청난 국가적 공헌이라고 생각합니다.

 

전압이 뭔지도 헷갈리고 전류가 뭔지도 헷갈리는 이시절

(21세기 살고있는 우리도 전압과 전류는 헷갈림)

 

전압과 전류 저항의 관계를 정의한 아저씨라는 말씀!

 

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전압과 전류는 이미...! 시즌 1에서 아주 자세하게 설명을 드렸으니

 

저항을 더 설명드려보겟습니다.

 

원통 그림을 봅시다.

 

보시다시피 도체는 원통형으로 생긴게 많습니다.

 

휴대폰 케이블

 

마우스 케이블

 

컴퓨터 전원선

 

드라이기 케이블

 

기타등등....

 

대부분의 케이블이 원통형으로 생겼고 원통형이다 보니

 

도체의 단면적값이 존재하고, 도체의 길이가 제각각 다를것이고, 원통형 도체가 구리냐 고무냐에 따른

 

구분이 지어지겠죠

 

저항은 위에 기술하였듯이 비저항과 비례하고 도체의 길이에 비례하며 도체의 단면적과 반비례해요.

 

말이 어렵죠?

 

풀어서 얘기해볼까요?

 

먼저 저항이라는건 어떻게 직관적으로 이해해야 할까요?

 

옴의 법칙에서 보듯 전압과 저항은 전류가 일정하다면 반비례 관계에 있죠.

 

즉 저항은 전압을 방해하는 역할을 합니다.

 

전압은 전하를 움직이는 힘이라는 말씀을 드린적이 있죠.

 

자동차가 제 아무리 고급차라도 약하게 브레이크가 걸려있으면 엑셀을 밟아도 잘 나아가지 않죠.

 

왜냐? 3000RPM의 힘을 주지만 타이어가 움직이지 못하게 브레이크 디스크가 방해(저항성분) 하기 때문이죠

 

달리기를 하는경우는 어떤가요?

 

사람이 육지에서 100m를 전력질주 하는 속도와

 

 

수영을 하면서 100m를 전력질주 하는 속도가 같나요?

 

 

아니죠. 당연히 육지가 더빠르고 물속이 더느립니다.

 

즉 옴의 법칙에 비유하여 표현하면

 

사람은 단위 전하를 뜻하고

 

'얼마나 빨리 움직이는가?'는 사람 다리근육힘 입니다.

 

육지와 물은 전하가 움직이는 매개체인 비저항!을 뜻합니다.

 

이처럼...

 

모든 물체는 제각각 고유한 수치를 가지고 있습니다.

 

물질비저항 (Ωm)

은	1.59 × 10-8
구리	1.68 × 10-8
금	2.44 × 10-8
알루미늄	2.65 × 10-8
철	9.71 × 10-8
주석	1.09 × 10-7
납	2.20 × 10-7
스테인레스 스틸	6.90 × 10-7
수은	9.80 × 10-7
니크롬	1.10 × 10-6
탄소(무정형)	5.00 × 10-4 ~ 8.00 × 10-4
바닷물	2.00 × 10-2
실리콘	6.40 × 102
순수한 물	1.80 × 105
유리	1.00 × 1011 ~ 1.00 × 1015
탄소(다이아몬드)	1.00 × 1012
마른 나무	1.00 × 1014 ~ 1.00 × 1016
공기	1.30 × 1014 ~ 3.40 × 1014
테플론	1.00 × 1023 ~ 1.00 × 1025

[네이버 지식백과] 비저항 [Resistivity, Specific resistance] (물리학백과)

 

비저항 값은 '로우' 라고 발음하는데요

저항과 비례하는 '이 값'은 클수록 부도체(전기를 잘 통하지 않음)

 

작을수록 도체(전기를 잘 통함)와 가깝습니다

 

위 도표에 따르면 은이 가장 전기를 잘 통하도록 도와주지만

 

은을 도선으로 쓰지 않는 이유는

 

은이 너무너무 비싸기 때문이에요 ㅎ

 

그다음으로 비저항이 작은게 구리죠!

 

그래서 도체로 구리를 많이씁니다.

 

근데 실제로 구리도 겁나 비싸요 ㅎ

 

공장에서 일하다보면 가끔씩 구리선이 도둑맞을때가 있어요 ㅎㅎㅎ

 

돈이되니까 내다파시는거죠....

 

여튼 비저항값과 마찬가지로

 

도체의 길이도 저항에 영향을 주는데요

 

이는 직관적으로 이해하시기 편할거 같아 자세한 설명은 생략할게요

 

도체의 길이가 길면 길수록 방해하는 물질이 길어지는 거니까 당연히 저항값은

 

도체의 길이와 비례관계에 있죠!

 

반대로 도체의 단면적은 저항과 반비례하는데

 

도체의 단면적이 크면 클수록 전류가 지나가기 수월하니 저항과는 반비례 관계에 있을 거라는

 

사실을 쉽게 이해할 수 있습니다.

 

이해가 안가신다고요???

 

차가 막히네요

 

차는 각각 전하라고 비유해봅시다

 

도체의 단면적은 차선으로 비유해볼게요

 

위 사진처럼 차가막히는 상황에서 8차선이 퇴근에 유리할까요

 

4차선이 퇴근에 유리할까요?

 

당연히 8차선이죠

 

8차선이라는거 자체가 도체의 단면적이 큰 것과 일맥상통하고

 

4차선은 8차선의 절반정도되니 그만큼 자동차가 빠르게 움직이는 것을 막아주는 역할을 하겠죠.

 

즉 저항과 단면적은 반비례한다는 사실이 아주 쉽게 입증되었습니다.

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어떤가요?

 

오늘도 도움이 되셨나요!?

 

부디 도움이 되셨길 바라면서

 

이만 오늘 포스팅을 마치고 다음시간에 돌아오겠습니다!

 

끝