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지난시간에 이어

오늘도 인덕터 관련된 이야기를 들고 왔습니다.

지난 시간에 전선을 철심에 동그란 모양으로 말아서

전류를 흘리면

수직하는 방향으로 자기장이 형성된다 했었죠?.

전류와 자기장의 존재는 매우 중요한 의미를 지닙니다.

서로의 상관관계가 있기 때문인데요.

우리는 전류를 흘려서 파란색 화살표와 같이 자기장을 얻을 수 있었지만

반대로 자기장을 가해서 없었던 전류를 만들어 낼 수도 있습니다.

자속의 변화로 인해 전기를 만들어내는게 바로 발전기이고요.

반대로 전기를 흘려서 자기장을 발생시켜 힘이 발생하면

이것을 이용하여 모터로 활용할 수 있습니다.

이 얘기는 초보자들이 이해하기 조금 어려울 수 있으므로 이후 전기기기나

실무지식을 소개하면서 더 자세하게 말씀드리도록 하겠습니다.

여튼 자기장과 전기 발생에 대한 상관관계에 대해서는

 이후에 배울 패러데이의 법칙에 이러한 내용이 나옵니다.

하지만 그전에 우리는 인덕터 자체에 대해서 더 깊게 공부해보겠습니다. 

 얘기가 샜네요.

다시 인덕터를 깊게 알아보죠.

먼저 인덕터는 아래와 같은 수식을 만족합니다.

V 는 전압

L 은 인덕턴스

t 는 시간

i 는 전류

입니다.

수식을 그대로 해석해보면.

전류의 변화량이 클수록,

인덕턴스가 뭔진 모르겠지만. 값이 클수록

전압이 크게 형성됩니다.

직관적으로 이해 가능하듯

여기서 말하는 전압이란

코일의 시작점(코일이 말리기 시작하는 시작점)

으로부터

코일의 종점(코일이 말리고 다시 평평하게 펴지는 지점)

까지 

걸리는 전압을 말합니다.

위 그림보면 각각 소자가 어떤 것인지 이해하실 수 있으시겠죠?

모두 배운 소자들이긴 합니다.

몰랐다면 지금부터 익혀두세요.

여기서 앞서 배운수식

전압은 인덕터의 양단에 걸리는 전압을 말합니다.

그러니까. 그림으로 표현하자면 아래 같겠네요.

      이상한거 없나요?

이쯤이면 이상한 걸 느꼇어야 했습니다.

뭐가 이상한걸까요???

저는

인덕터를 전선을 말아놓은 것에 지나지 않는다고 말씀드렸죠.

네.

그렇습니다.

인덕터는 저항성분이 없습니다.

단순히 전선을 동그랗게 말아놓은 것에 지나지 않으니까요.

그래서 이상하다는 겁니다.

커패시터처럼 전기를 저장하는 소자도 아닌데

저항이 존재하는 것도 아닌데

단순히 전선을 펴놓치 않고 동그랗게 말아놨을뿐인데

여기서 말하는 전선은 이상적인 형태(저항이 0에 가까운 전선)을 말합니다

왜 전압이 있단말입니까?

옴의 법칙에 의해서 (V = I * R)

전압과 전류가 존재하는 현재 상황으로 미루어봤을때

 R에 해당하는 어떠한 미지 상수가 존재해야 하거든요?

근데 인덕터 수식을 딱보니

L(인덕턴스) 라는 것이 바로 그역할을 하는것 같습니다.

단순히 전선을 동그랗게 말아 놓았을 뿐인데

미지의 저항상수 L이 생긴겁니다.

L은 인덕턴스라고 표현하며, 단위는 인덕턴스를 발명한 미국의

과학자 이름을 따서 (H)헨리 라고 표현합니다.

무튼 이러한 인덕턴스로 인하여 전압은

전류의 변화를 거부하는 방향으로 형성됩니다.

즉 코일에 전기가 흐르지 않다가

갑자기 흐르게 되면

갑자기 흐르는 이런 부자연스러운 현상을 제거하기 위해

마치 전류가 반대방향으로 흐르게 끔 만들어서

실제 전류의 방향을 상쇄하게끔 전압을 준 효과(역기전력)가 나타나는거죠

그래서 인덕터가 많은(유도성 부하라고 표현합니다) 전력계통은

실제로 전압이 많이 떨어집니다.

왜 하필 정기전력이 아니라 역기전력이 생기냐는 질문은 조물주께 여쭤보시기 바랍니다

(자연의 이치이며 공리라고 표현합니다.)

이러한 인덕터는 커패시터와 혼용하여 역률을 개선할때 쓰이기도 하며

또다른 중요한 특성때문에 여러가지 목적으로

설계에 응용됩니다.

자꾸 수식을 끌고오지만 다시 수식을 한번 살펴보면

역기전력이 전류의 시간변화율에 따라 생기므로.

보통 직류에서는 역기전력이 생기지 않아요.

네 맞습니다. 교류에서만 역기전력이 생깁니다.

추가로 전류는 급격한 시간에 변화할 수 없다는 사실을 아는게 중요합니다.

시간에 따라 전류가 급격하게 변화한다는 것은 위 수식에 따라

전압이 무한대로 갈 수도 있다는 것을 의미하죠.

하지만 현실에선 이런일이 일어나지 않습니다.

이러한 성질로부터 과전류를 보호할 수도 있고

이후에 배우겟지만 용량성 부하로부터 역률을 개선시켜 제품 자체의 효율을 높일 수도 있습니다.

사실 비전공자는 인덕터가 실생활에서

보이지 않다보니

이번 챕터는 조금은 어렵기도 했겠군요.

복잡한 수식이야 책에서도 지겹도록 보실테니

머리로 이해할 수 있도록 쉽게 설명하고자 하는데

아무래도 좀 이번챕터가 복잡하긴 했네요.

여튼... 오늘도 고생많으셨습니다.

오늘은 커패시터에 이어 또다른 에너지 저장소자인

인덕터에 대해 배워보겠습니다.

인덕터는 코일입니다.

둘둘 말려있는 구리선이

바로 인덕터인데요.

왜 구리선을 직선으로 말아가지고 쓰는 것이냐?

바로. 자기장을 이용하기 위해 그렇습니다.

자기장을 이용하는 방법은 매우 간단합니다.

둥그렇게 전선을 말아놓고 전기만 흘리면 자기장이 생기거든요.

네이버 백과사전에

오른나사의 법칙을 쳐보면 이런 그림이 나옵니다.

이 그림이 설명하는 바는 간단합니다.

도선에 전류를 흘리면 위 그림처럼 자기장이 형성된다는 겁니다.

자기장이 왜 생기느냐에 대한 궁금증은 밝힐 수  없습니다.

자연현상이기 때문이죠.

[자연현상에 대한 이유는 신이 존재한다면. 신만이 알 겁니다.]

자연계에 살아가는 우리는 자연계의 현상을 규명하기보다는

자연계의 현상을 응용하여 실생활에 이롭게 하는 것을 목적으로 공학이라는 분야를 만들었으므로 

자연현상을 그대로 받아들여야 합니다.

다시 본론으로 돌아와서.

도선에 전기를 흘리면 위와 같이 자기장이 형성되는 원리를 바탕으로 인덕터를 만들었는데요.

인덕터의 구조대로 전기를 흘리면 어떻게 자기장이 형성될까요?

위 그림의 화살표 방향대로 전류를 흘린다고 가정해보겠습니다.

도체에 전류를 흘리면 자기장이 형성된다는

오른나사의 법칙을 알았으므로 자기장의 형성방향 또한 추측할 수 있습니다.

헌데 좀 특이한 것이 보입니다.

각 지점마다 전류를 흘리는 방향을 오른나사의 법칙을 적용해보았더니

한쪽 방향으로 자기장이 강해지는 모습처럼 자기장이 형성된다는 것이죠.

도체에 전기를 흘렸더니 실제 자석처럼 자성이 생겼습니다.

말로는 이해가 안가니 아래 그림을 보죠.

위 그림에서 검은색 화살표는 전류의 방향을 표현하고

파란색 화살표는 자기장의 방향을 표현하였습니다.

도선의 방향대로 오른나사의 법칙을 적용하여 자기장의 방향을 보았더니

조금 삐뚤 빼뚤하지만

어느정도 한방향을 가르키고 있구나 라는 사실을 모두가 직관적으로

알 수 있습니다.

설명을 위해 나선간의 폭이 매우 큰것처럼 표현했지만

아주 촘촘한 나선이라면 어떻게 자기장이 형성되겠습니까?

자기장이 형성되는 방향은 코일 내부에서

거의 직선이 되는겁니다.

결국 인덕터는

전선을 동그랗게 촘촘하게 말아놓은 것인데

단순히 도체와는 다르게

자기장이 한쪽방향으로 강해지게끔

하드웨어적인 조정이 이루어진 기구라고 보시면 됩니다.

우리 선대 과학자들 및 공학자들은

이러한 자기장을 이용하여

다양한 전기기기를 발명하였습니다.

모터뿐만 아니라 반도체 휴대폰등

모든 전자기기에 위 원리가 포함되어있습니다.

여러분이 휴대폰을 연구하는 사람이라면

여러분이 자동차를 연구하는 사람이라면

여러분이 컴퓨터 하드웨어를 연구하는 사람이라면

내부의 구성 요소정도는 이해해야 하고

우리는 그래서 인덕터를 배우는겁니다.

인덕터가 어떤 것인지 이해했으니 다음 시간부터는

인덕터가 전기회로에서 어떻게 사용되고

어떤 성질을 가지고 있는지 본격적으로 알아보도록 하겠습니다.

새로운 항목을 개설했습니다.

실무 포스팅을 개설한 이유는

제가 가지고 있는 지식이 누군가에게 도움이 되었으면 좋겠고

더불어 포스팅하면서 스스로 공부하고

설계 엔지니어로서 성장하자는 목표도 세웠기 때문입니다.

※ 전기이론 관련된 포스팅은 초보자를 기준으로 설명하지만,

실무 관련 포스팅은 현직자 및 신입 엔지니어들을 위해 설명하는 내용이므로

정확히 이해가 되지 않더라도 그렇구나 하는 정도로 가볍게 읽어주시면 좋겠습니다.

전장 설계를 진행하다보면

정말로 수도없이 나오는것이 통신입니다.

가장 중요한 부분이기도 하고

I.O TEST나 시운전을 하는 경우에도 이러한

부분 때문에 늘 애먹는 경우가 많아요.

앞으로는 실무에서 사용하는 통신의 종류에 대해서

기회가 될 때마다 포스팅할 예정입니다.

통신을 배우는 이유?

통신이라는 용어자체가 어렵진 않을겁니다.

통신이란 어떤 내용을 서로 주고받는 행위입니다.

나의 생각을 상대방에게 전달하는 것도 통신이라고 볼 수 있고

상대방의 의견을 내가 전달받는 과정 또한 통신이라고 볼 수 있죠.

즉, 통신의 본질은 주체적으로 판단 가능한 어떤 두 개체간의 의견전달 과정 입니다.

전기공학, 전자공학 분야의 실무에서 말하는 판단가능한 주체는 바로 컨트롤러입니다.

컨트롤러란(PLC, MCU, 인버터등) 주체적으로 어떠한 명령을 내리거나 계산하는 장치를 말하는데.

처음이라면 표현이 다소 어려울 수 있으나 실제론 별거 아니에요.

인체를 예로드는 것이 가장 이해하기 쉽겠어요,

오감이라고 표현하는 각종 감각들이 있습니다.

눈으로 보이는 광경과, 코에 느껴지는 냄새, 들리는 소리, 만졌을때 느낌, 음식을 먹었을때 느껴지는 느낌

우리는 이러한 느낌을 자연으로부터 전달받아 뇌로 신호를 전달하고 의사판단을 내리게 되는데요.

예를들어 

경치좋은 어떤 풍경을보면

나도모르게 감탄사가 나오곤하죠.

시각이라는 데이터를 뇌에서 받아들여서 

경치가 좋다는 판단을 내린 결과입니다.

인체는 머리속의 수많은 신경세포를 통해 신호를 받아들이고 신호에 대한 반응을 결정합니다.

로봇이라는 개체를 보겠습니다.

로봇은 무엇으로 사물을 느끼고 감지할까요?

답은 간단합니다.

센서입니다.

로봇은 사람처럼 눈으로 관찰하거나 냄새를 맡을 수 없기에 

각종 센서장비를 통해 현재의 나의 상태에 대한 데이터를 인지합니다.

그러한 데이터들을 하나로 모아 인체의 뇌에 해당하는 전자장비로 신호를 보내주어

종합적인 판단을 내리게 되죠.

그 뇌에 해당하는 부품이 바로 컨트롤러라고 불리우는 (MCU, PLC, 인버터등) 아이들입니다.

분명, 로봇과 사람은 닮아있습니다.

데이터를 수집하는 부분이있고(사람은 오감, 로봇은 센서)

데이터를 분석 및 판단하는 부분이 있죠(사람은 뇌, 로봇은 컨트롤러)

통신은 데이터를 수집하는 부분과 데이터를 분석 및 판단하는 부분을

이어주는 방법을 일컫습니다.

사람은 뉴런이나 여러 신경세포가 이것을 관장한다면

로봇이나 전자부품들은

SSI, MODBUS, ETHERNET, ETHERCAT, WIFI, BLUETOOTH등 아주 여러가지

방식으로 이를 통칭합니다.

우리는 앞으로 이러한 통신방식을 하나씩 배워나가며

내가 회로 설계자, 전장설계자로서 어떠한 통신방식을 채택할 것이고

각 통신방식간의 차이를 배워나갈 예정입니다.

꽤 오랜 포스팅동안 

커패시터에 관한 이야기를 했습니다.

커패시터가 그만큼 중요하기 때문이고 회로설계 및 해석에

중요한 개념이기 때문인데요

오늘은 지난시간에 이어서 커패시터가 여러개가 붙어있는 경우

어떻게 회로가 해석될 수 있는지

알아보도록 하겠습니다.

우리 이전시간에 저항을 직렬로 연결했을때와 병렬로 연결했을때

특징을 알아본적 있었습니다.

저항은

직렬로 연결할수록 그 값이 커지고,

병렬로 연결할수록 그 값이 작아진다.

저항과 같이 커패시터도 하나의 소자로써

이를 연결하는 방법에 따라 직렬 연결과 병렬 연결로 나뉘는데요.

특이한건. 저항과 다르게 커패시터는

직렬로 연결하면 그 값이 작아지고,

병렬로 연결하면 그 값이 커진다는 것.

여기서 말하는 값이라는건. 커패시턴스

즉, 지난시간에 배운 공식

Q = C*V 에서

C를 의미합니다.

저항이 직렬로 연결할수록 R 값이 커지는 반면

커패시턴스 C는 직렬로 연결하면 C 값이 작아지고

저항이 병렬로 연결할수록 R 값이 작아지는 반면

커패시턴스 C는 병렬로 연결하면 C 값이 커집니다.

이유가 궁금하죠?

왜그럴까요?

회로도를 봅시다.

커패시터를 직렬로 연결하면 대략 이런 모습이겟죠.

보면, C1에 양전하가 몰려있고

C3에 음전하가 몰려있죠.

자그럼 C2는 어떤가요?

C2는 양 극단에 전압원이 존재하지 않는 허당 커패시터입니다.

직렬로 연결하고 보니 무슨 일이 벌어졌냐면.

C1, C2, C3 각각 전기를 저장할 수 있는 능력이 충분함에도 불구하고

허당 커패시터가 생긴더라는 거에요.

더군다나 전기를 저장할 수 있는 공간 총 6개 중 무려 4개가 허당이 되었습니다.

쉽게말해서

C1에 저장할 수 있는 전하가

10개

C2에 저장할 수 있는 전하가

10개

C3에 저장할 수 있는 전하가

10개면

이중에 3/2는 허당이되는겁니다.

총 30개의 전하를 저장할 수 있는 전하 저장능력이

직렬로 붙였더니 10개가 되었다는 뜻이죠.

설명을 위해 직관적으로 말씀드린 부분이지만.

선대 과학자가 밝혀낸 사실에 의하면

커패시터는 아래와 같은 성질이 있다는 것이 실험적으로 증명되었으며 

1/C1 + 1/C2 + 1/C3 = 1/C(total)

이는 수학적인 증명도 가능합니다.

Q = C*V 라는 수식을 봅시다.

위 회로상에

C1에서 발생한 전압

C2에서 발생한 전압

C3에서 발생한 전압

그리고 G2의 전압의 합은 0이어야 하죠.(키르히호프 전압법칙)

-G2 + V(C1에 걸리는 전압) + V(C2에 걸리는 전압) + V(C3에 걸리는 전압) = 0이라는 거죠.

헌대 V(C1에 걸리는 전압)은 다른 방법으로 표현 가능합니다.

Q = C * V 라는 공식을 통해서 말이죠 

V = Q / C 으로 표현할 수 있죠.

이를 대입하면 수식은 아래와 같이 나타낼 수 있어요

Q / C1  + Q / C2  + Q / C3 = Q / C(total)

여기서 다시 양변을 Q로 나눠보면 이런 수식이 나옵니다. 

1 / C1  + 1 / C2  + 1 / C3 = 1 / C(total)

쉽죠?

병렬로 연결하는 경우는 더 쉬워요 직관적으로 이해하기 더 쉽거든요

병렬이란 뜻은 아래와 같은 회로 표현이 가능할겁니다.

그림을 보세요.

C1, C2, C3 .... 쭉쭉 붙여나갈수록

+가 위치할 수 있는 공간이 늘어나고

-가 위치할 수 있는 공간이 늘어납니다.

그래서 병렬연결에서 커패시턴스의 관계식은 이렇습니다

C1 + C2 + C3 = C(total)

끝이네요.ㅎ

다음 시간에는 커패시터 만큼 중요한

인덕터라는 소자에 대해서 알아보겠습니다.

즐거운 한주 마무리하세요