[회로이론 1] 전하, 전류, 전압, 전력

전기를 배울 때 전하와 전하량의 개념을 배우는 것은 역사적으로 전기의 발견이 전하의 발견으로 부터 시작되기 때문입니다. 전기에 대한 실험은 '정전기'로부터 시작되었고, 기 정전기의 정체를 '전하'라고 생각되는 입자에 의해 발생되었다고 생각되었습니다. 이후에 많은 이론과 실험으로 전하의 정체가 물질을 이루고 있는 원자의 구성요소인 전자와 핵에서 전기적인 성질을 띄기 때문에 나타나는 현상임을 알게 된 것입니다.

 

1. 전하와 전자량
물질을 살펴보면 간단하게 핵이 있고 전하가 그 주변에 돈다고 묘사할 수 있습니다(러더퍼드 원자모형). 현대 물리학에 와서는 전자는 돌기보다는 원자핵 주변에 확률적인 분포로 되어 있어 구름과 같은 모양으로 그리고 있습니다만, 이해하기 쉽게 돌고 있는 모양으로 생각하기로 합니다.

전하량의 단위는 [C](쿨롱)입니다. 1암페어가 1초동안 흐르는 전하량이죠. 이 1A가 1초동안에 흐르는 전자의 개수는 몇개일까요? 6.24X10¹⁸개입니다. 그러면 전하 한개의 전하량은 -1.602 ×10^-19가 됩니다. 이 전하량은 실험적으로 측정을 하여 알게된 수치로써 궁금하시면 '전하량 측정실험'이라고 검색해서 보시면 됩니다.
e= -1.602 ×10^-19 [C]

 

2. 전류
전류를 정의 하자면, '단위시간당 흐른 전류량'입니다. 즉, 1A는 1초동안 1C이 흐르는 것을 말합니다. 전기를 보통 물로 묘사하여 이해하는 경우가 많은데, 이때 전류는 물이 일정시간동안 흐르는 양에 비교될 수 있습니다. 
전류가 흐르는 방향은 +에서 -로 흐르는 것으로 정의됩니다. 정전기 실험에서 정전기는 +와 -의 성질을 가지고 있으며 어느 한쪽으로 흐르게 할 수 있음을 발견하게 됩니다. 이때 흐르는 것을 '전류'라고 하는데, +와 -의 정의는 정전기를 발생시키기 위해서 종류가 다른 두 물질을 문질렀을때 각각 한쪽을 +와 -로 기준을 잡은 것에서 정의가 되었습니다. 실험의 대표적으로 '에보나이트'가 있는데, 에보나이트는 거의 음의 전하가 띄는 것으로 정의했죠. 대전된 에보나이트에 붙으려고 하면 +이고 떨어지려고 하면-의 전하를 띄는 것으로 간주해서 이걸 +-의 성질로 굳혔는데 나중에 전자의 흐름이 전류가 되었으며 이때 나눈 기준이 거꾸로 되었음을 알게 됩니다. 하지만 세계적인 표준으로 자리잡은 후이기 때문에 그대로 사용하기로 한 것으로, 전기의 흐름은 전자의 이동으로 인해 발생되나 전류의 방향을 거꾸로 정의하였기 때문에 전자는 음의 전하량을 가지게 됩니다.
전류나 전압은 그 모양에 따라서 직류와 교류로 나뉘는데, 간단하게 분류하는 방법은 다음과 같습니다.

 

 

- 직류: 시간에 따라서 언제나 +이거나 -인것. 
- 교류: 시간에 따라 +값과 -값으로 교차함.

전류는 시간당 흐는 전하량이므로 전류는 전하량 q를 시간으로 미분한 값으로 수학적으로 정의됩니다.

 

거꾸로 전류를 알고 있을 때 특정 시간동안 흐른 전하량은 전류를 시간으로 적분하여 구할 수 있습니다.

만약에 i(t)나 q(t)가 시간에 따라 변하지 않는 일정한 수라면, 즉 i(t)=I, q(t)=Q로 시간과 무관하면 간단한 곱셈으로 표현이 됩니다. 

 

3. 전압
전기를 쉽게 이해하기 위해 물로 묘사되는 경우가 많은데 이때 전압은 '수압'과 비슷합니다. 수압(전압)이 높을수록 물은 더욱 빠르게 이동하게 되고, 결국은 단위시간당 흐르는 물의 양(전류)는 커지게 됩니다. 전압은 이와 같이 전류를 흐르게 하는 어떤 압력과 비슷한 성질을 가지고 있습니다. 
좀더 명확하게는 전계라는 필드에서 전계의 차이를 전위차라고 부르는데, 이것을 회로도에서는 전압이라고 부릅니다. 전위차이는 전계에서의 '위치'차이를 뜻하는데, 전계의 세기가 위치에 따라서 변화하게 되고 그것이 높은곳에서 낮은 곳으로 전하가 힘을 받게 됩니다. 즉, 전위에서의 위치는 '높낮이'와 비슷한 역할을 하게 됩니다. 전압이 전류를 움직이게 하는 힘은 중력이 물체를 높은 곳에서 낮은곳으로 끌어 내리듯이, 전계에서 높은 전계에서 낮은 전계로 전하가 움직이려는 힘을 받기 때문입니다. 전위를 Electric Potential이라고 하는데, 위치에너지를 Potential Energy라고 하는 것처럼 '위치'를 Potential이라고 부릅니다. 질량을 가진 물체의 중력가속도 안에서 위치에너지를 E=mgh인것 처럼 전계에서 전하량을 가진 입자의 위치 에너지를 E=qv로 쓰는데, 전압 V는 gh와 비슷한 역할을 한다고 보시면 됩니다. 
전압을 수압과 비슷하게 보면 이해하기 쉽지만 압력은 '힘'이기 때문에 사실 수압보다는 중력가속도와 위치와의 콜라보레이션이라고 봐야 합니다.
전압의 정의는 전하가 전계에서 받는 힘으로부터 나옵니다. 전계에서 받는 전하의 힘은 다음과 같습니다.

 

여기서 q를 움직이는데 사용되는 에너지는 힘을 얼마나 이동시키냐로 구할 수 있습니다. d만큼 움직이면 일(에너지)은 다음과 같습니다.

 

전위(전압)은 에너지에서 전기적 위치 에너지 에너지를 의미합니다. 그래서

이것은 정전계에서의 정의입니다. 즉, V나 E나 공간에 따라 일정하다고 가정하였을 때 단순하게 쓰면 저렇게 됩니다. 정전계가 아닌 경우는 회로이론이 아닌 전자기학에서 다룩 됩니다. 일반적으로 전기 회로는 금속으로 된 도선이 한번에 연결되어 있기 때문에 정전계에 속하기 때문에 회로 내에서의 위치까지 고려할 필요가 없습니다.
다시 일에 대해서 정리하면,

 

로 쓸 수 있습니다. 

 

4. 전력
전력은 일률과 같은 말입니다. 즉, 단위시간당 소모되는 에너지라고 보면 됩니다. 따라서

즉 에너지 P=VI를 구할 수 있습니다.


여기까지 전하, 전류, 전압, 전력등의 기본 요소들에 대해 알아봤습니다. 

 

[출처] 네이버 블로그 느시님