6. 전기자기학 > 6. 전류

1. 전하량 (전기량)

 

1.1 전하

 

1) 전하의 정의

 

1.1) 외부의 에너지에 의하여 대전된 전기를 전하라 한다.

 

1.2) 기호로서 Q라 쓰고 단위는 [C] 쿨롱을 사용한다.

 

2) 전하의 종류

 

2.1) 양전하 (정전하): 양자

 

2.2) 음전하 (부전하): 전자

 

2.3) 전자 1개의 전하량

 

e = -1.602 * 10^-19 [C]

 

2.4) 전자 1개의 무게

 

m = 9.1 * 10 ^-31 [kg]

 

 

1.2 전기량

 

1) 전기량의 정의: 어떤 물체 또는 입자가 띠고 있는 전기의 양이다. 대전량 또는 하전량이라고도 한다.

 

2) n 개의 전자가 이동한 경우의 전체 전하량

 

Q = n * e [C]

 

n: 이동한 전자의 개수

 

e: 전자 1개의 전하량 [C]

 

 

2. 전류

 

2.1 전기의 발생 원리

 

1) 전류

 

1.1) 단위 시간당 (1초)  도체를 통과한 전기량의 크기를 말한다. 

 

1.2) 전류는 기호로서 I라 쓰고 단위는 [A] 암페어를 사용한다.

 

2) 전기의 발생원리: 자유 전자의 이동에 의한 과부족 현상 때문이다.

 

2.2 전류의 계산

 

1) 전하량

 

1.1) 한 지점을 지나가는 전하의 총량을 전하량이라고 한다. 전하량의 단위는 쿨롱 [C] 이다.

 

1.2) 1 [C] 은 1[A] 의 전류가 1초 동안 흐를 때의 전하량이 된다.

 

1.3) 전하량은 다음과 같이 구할 수 있다.

 

Q = I t [A sec] = [C]

 

2) 전류

 

2.1) 단위 시간당 (1초) 도체를 통과한 전기량의 크기를 말한다.

 

2.2) 전류는 다음과 괕이 구할 수 있다. 

 

I = Q / t = n * e / t [A]

 

n: 이동한 전자의 개수

 

e: 전자 1개의 전하량 [C]

 

 

3. 전기 저항

 

3.1 고유 저항

 

1) 고유 저항의 정의: 전선이나 도체를 구성하면서 그 물질 자체의 고유한 특성으로 인해서 생기는 전류의 흐름을 방해하는 요소를 말한다. 

 

2) 고유 저항의 기호로서 ρ 를 사용하고 단위는 옴.m를 쓴다.

 

3.2 전기 저항

 

1) 전선의 고유 저항과 전선의 단면적 S [m^2]  및 전선의 길이 l [m] 를 감안한 전선의 실제 저항을 말한다.

 

2) 전기 자항의 기호로서 R를 사용하고 단위는 옴을 쓴다.

 

3) 전선의 전기 저항은 다음과 같이 구한다.

 

R =  ρ  l / S = l / k S [옴]

 

k: 도전율 모/m

 

고유저항 ρ 의 역수를 의미한다.

 

3.3 컨덕턴스

 

1) 전기 저항 R [옴] 의 역수로서 전기가 잘 통하는 정도를 말한다. 

 

2) 컨덕턴스의 기호로서 G를 사용하고 단위는 [모] 를 쓴다. 

 

G = 1/R [모]

 

 

4. 옴의 법칙

 

4.1 옴의 법칙

 

1) 옴의 법칙 정의: 전기 회로의 3요소인 전압 (V), 전류(I), 저항 (R)의 상관관계를 나타내는 회로의 가장 기본적인 법칙이다.

 

2) 상관관계

 

2.1) 회로에 가한 전압이 클수록 전류는 많이 흐른다.

 

2.2) 회로에 흐르는 전류가 클수록 회로의 전압은 높아진다.

 

2.3) 회로의 저항이 많을수록 회로에는 전류가 흐르기 어렵다.

 

전류 I = V/R [A]

 

전압 V = I R [V]

 

저항 R = V / I [옴]

 

4.2 저항 접속 방법

 

1) 직렬 연결

 

합성 저항 R = R1 + R2

 

2) 병렬 연결

 

합성저항 R = R1 R2 / ( R1 + R2 )

 

4.3 온도 변화에 따른 저항값의 관계

 

1) 일반적으로 전선은 전선 주변의 온도가 올라가면 이에 비례하여 전선의 저항값도 증가하게 된다.

 

2) 이는 온도가 올라가면 도체 내부의 분자 운동이 활발해져서 전하의 흐름을 방해하기 때문이다.

 

3) 온도 변화에 따른 저항값 구하는 식

 

Rt = R0 ( 1 + a (t2 -t1) ) [옴]

 

Rt : 새로운 저항값

 

R0: 온도 변화 전의 원래의 저항값 [옴]

 

a: t1 [도]에서 도체의 고유한 온도 계수 (a = 1/ ( 234.5 + t1))

 

t1, t2:  변화 전과 후의 전선의 온도

 

Rt = R0 * (234.5 + t2) / (234.5 + t1)

 

4) 저항값과 온도 계수 값이 다른 2개의 도체를 직렬로 접속하였을 때의 합성온도 계수는 다음과 같다. 

 

a = (a1 R1 + a2 R2 ) / (R1 + R2)

 

 

5. 전력과 전력량

 

5.1 전력

 

1) 저력의 정의

 

1.1) 전류가 단위 시간 동안에 행할 수 있는 실제적인 일 에너지

 

1.2) 전력의 기호로서 P를 사용하고 단위는 [W] 와트를 쓴다.

 

2) 전력 계산식

 

P = V I = I^2 R = V^2 / R [W]  = [J/sec]

 

5.2 전력량

 

1) 전력량의 정의

 

1.1) 전력을 어느 정해진 시간 동안에 소비한 전기 에너지의 총량을 말한다.

 

1.2) 전력량의 기호로서 W를 사용하고 단위는 [W.sec] 를 쓴다.

 

2) 전력량 계산식

 

W = P t = V I t = I^2 R t = ( V^2 / R ) t [W.sec] = [J]

 

 

6. 저항 (R) 과 정전 용량 (C) 와의 관계

 

6.1 평행판 콘덴서에서의 저항과 정전 용량 값

 

1) 저항 R = ρ d / S [옴]

 

2) 정전 용량 C = ε S / d [F]

 

6.2 위 두 식을 곱해 보면 다음과 같은 과 ㄱㅌ은 관계를 얻을 수 있다.

 

R*C = ρ d / S  * ε S / d  = ε ρ

 

6.3 콘덴서에 흐르는 누설 전류

 

I = V / R = V / ε ρ / C = CV / ε ρ [A]

 

 

7. 열전 효과

 

7.1 열전 효과의 정의 

 

1) 어떤 폐회로에서 얼과 전기의 상관관계를 나타낸 것이다.

 

2) 즉, 어떤 폐회로에 온도차가 생기면 전기가 발생하고 전기를 가하면 온도차가 발생하는 열 효과이다.

 

7.2 열전 효과의 종류

 

1) 제벡 효과

 

1.1) 열전 효과의 가장 기본적인 현상

 

1.2) 서로 다른 금속체를 접합하여 폐회로를 만들고 두 접합점에 온도차를 두면 그 폐회로를 만들고 두 접합점에 온도차를 두면 그 폐회로에서 열기전력이 발생한다.

 

 

2) 펠티에 효과

 

2.1) 제벡 효과의 역효과 현상

 

2.2) 서로 다른 금속체를 접합하여 폐회로를 만들고 이 폐회로에 전류를 흘려주면 그 폐회로의 접합점에서 열의 흡수 및 발생이 일어나는 현상이다.

 

3) 톰슨 효과

 

3.1) 제벡 효과를 응용한 열전 효과

 

3.2) 똑같은 금속체를 접합하여 폐회로를 만들고 두 접합점에 온도 차를 두어도 마찬가지로 그 폐회로에서 열기저력이 발생한다. 

 

8. 전기의 특수한 현상

 

8.1 초전 (Pyro) 전기

 

1) 어떤 특수한 물질을 가열시키거나 반대로 냉각을 시키면 전기 분극을 일으키는 현상이다.

 

2) 롯셀염이나 수정 등에서 이러한 현상이 발생한다.

 

 

8.2 압전 효과

 

1) 유전체 결정에 기계적인 변형을 가하면 결정 표면에 양 음 전하가 발생하여 대전되는 현상이 발생한다.

 

2) 또 반대로 이 결정을 전게 내에 놓으면 결정이 기계적 변형이 생기기도 한다. 

 

8.3 홀(Hall) 전기

 

전류가 흐르고 있는 도체에 자계를 가하면 플레밍의 왼손법칙에 의하여 도체 측면에 전하가 나타나는 현상이다.

 

8.4 핀치 효과

 

1) 액체 상태의 도체에 직류를 가하면 압축력으로 인하여 액체 도체가 압축력으로 수축되는 현상이다.

 

2) 이로 인해 전류는 표피효과와는 반대로 도체 중심쪽으로 전류가 집중되어 흐르게 된다.