전류의 단위에는 암페어(A)가 사용됩니다. 1A의 전류란 1초 사이에 약6.25 x 10에 18승개의 전자가 흐르는것을 말합니다. 마이너스 성질의 전자 약6.25의 10억배에 다시 10억 배의 수가 모인 전기량을 1쿨롱(C)이라고 합니다. 이렇게 하면 1A라는 것은 매 초 1C의 전기량이 통과하는 전류의 강도라고 할수있는데 1A라는 전류는 100W의 전구를 점등시키는데 필요한 전류입니다. 그런데 1그람의 전자의 수는 얼마나 될까요? 전자 1개의 질량은 정확하게 9.10955 x 10에 -34승그람입니다. 그러므로 1그람의 전자 수는 =1.1x10에 34승개가 됩니다. 이만큼의 전자가 1초 동안 통과한 전류는 176 x 10에 13승A가 됩니다. 약 176.000.000.000.000A 가 됩니다. 그런데 어느 전철은 65대의 모터로 1초 사이에 약 7000kW의 전력을 사용합니다. 모터에 가해지는 전압은 375V입니다. 65대의 모터에 흐르는 전류는 18.667A입니다. 1그람의 전자의 전류로 전철이 달리는 시간을 계산하면 약 9.429초x10에10초승이고 이걸 다시 계산하면 1.572x10에15분승 다시 계산하면 2.62x10에13분승입니다. 그러므로 1그람의 전자로 보통 2.62x10에 13승 분을 달릴수있습니다.
전기 지식의 가장 기초가 되는것은 무엇일까요?전기의 기초가 되는것을 몇가지 들어보면 전류,전압,저항,전력,전기의 작용(열,자기,화학)등을 생각할수있을것입니다. 어느 것이나 모두 중요한 것이며 모두 상호 관련이 있으므로 어느 한가지만 제일로 꼽을 수 없이 모두 중요합니다. 지금부터 이들 기초가 되는 것에 대해서 여러 가지 각도에서 분석하여 토막 지식으로서 도움이 되었으면 하는 바람입니다. 그런데 전류와 전자류 일명 전자의 흐름같은 것이라 생각할지도 모르겠습니다. 예를 들어 건전지에 소형 램프를 연결하여 점등시키는데 전지와 소형 램프에는 도선이 사용된다고 생각합시다. 도선 속에는 전지의 마이너스 극에서 나온 전자가 연결되어 플러스극으로 흐르고 있습니다.이것이 전자류이며 마이너스의 성질을 가지는 전자가 마이너스에서 플러스로 흐르는것을 말합니다. 전류는 플러스에서 마이너스의 방향으로 흐른다고 생각했을때 전자류와는 반대방향이 됩니다. 다시 말하면 전자류는 있어도 전류는 없는 것입니다. 종전 사람들은 전기에 대해 잘 알수 없었으므로 플러스의 전기가 움직였다고 생각하는 방향을 전류의 방향으로 생각하였습니다.그러나 원자에 대해서 점점 알려지면서 전류와 전자류를 구별하게 되었는데 일반적으로 전자류라는 말은 그다지 많이 사용되지 않고 있기 때문에 모두가 전류로 설명하게 되었습니다.
전열기에 전류가 흐르면 열이 발새한다는건 누구나 잘 알고 있을것입니다.전류가 흘러서 전기 에너지가 소비되면 그 에너지는 모두 열로 바뀝니다. 이것을 연구하여 법칙을 발견한 사람이 영국의 물리학자 줄입니다.줄의 법칙은 도체에 전류가 흐를 때 흐르는 전기의 강도의 2제곱에 비례하고 도체의 저항에 비례하는 열이 그 도체에 발생합니다라는 법칙을 말합니다. 1옴의 저항의 도체에 1A의 전류를 흐르게하면 1초 사이에 0.24칼로리의 열을 발생시킵니다. 따라서 1줄은 0.24칼로리이고 1칼로리는 약 4.2줄입니다. 1칼로리의 열량은 15도씨의 물 1그램의 온도를 1도씨올리는 데에 필요한 열량입니다. 그리고 도체에 열이나면 저항이 커질까요 작아지는것일까요 이를테면 100W 전구의 필라멘트 저항을 테스터로 측정하여 보면 약 6~7옴정도입니다. 100W 전구에는 1A의 전류가 흐르므로 옴의 법칙에 의하면 100옴저항이 아니면 안됩니다. 이와같이 되는 이유라면 필라멘트의 재료인 텅스텐 저항은 온도가 올라가면 저항이 증가하는 성질을 가지고 있습니다. 따라서 테스터가 작은 전류로 측정하였을때는 이미 식어 있어서 7옴이라는 작은 값이 됩니다. 그런데 100v의 전압을 가하면 발열 작용에 따라서 필라멘트의 온도가 점점 상승하고 저항이 커져서 100옴으로됩니다. 이와 같이 온도 상승과 저항값이 비례하는것을 정특성이라고 합니다. 서미스터 등 반도체는 반대로 온도가 상승하면 저항값이 내려가는데 이것을 부특성이라고 합니다.일반적으로 저항기는 대부분 정특성입니다.이번엔 콘덴서 관련 이야기를 하겠습니다. 우리들이 평소 많이 사용하고 있는 전기는 항상 전하가 이동하고 있는 동전기입니다. 이 동전기는 끊임없이 발전기로 발전시키고 있으며 여러 가지 부하로 소비되고 있습니다. 예전부터 전기 에너지는 수송하는데는 매우 편리하지만 저장할수없는 불편한 에너지라고 알려져있습니다.질문의 전기가 동전기를 가리킨다면 저장할수 없다가 정답입니다. 그러면 저장할 수 있는 전기란 어떤 전기일까요? 그것은 정전기 입니다. 겨울이 되면 입은 옷을 벗을때 빠지직 거리는 소리를 들을 수 있을것입니다. 또한 어느 물건끼리 서로 비비게 되면 마찰 전기가 생깁니다. 예컨대 유리와 헝겊을 문질렀을 때 유리는 플러스로 대전한다라고 하며 헝겊은 마이너스로 대전합니다. 이현상은 유리 원자의 바깥쪽 전자가 마찰에 의해서 비단 헝겊의 원자쪽으로 이동하였기 때문입니다. 이와 같이 원자가 부족하거나 남거나 하는 현상을 대전이라고 합니다. 대전한 물질이 가지고 있는 전기의 양을 전하라고 합니다. 이것이 정전기가 생기는 이유입니다. 이 정전기는 전하가 작으므로 번쩍하고 순간적으로 중성이 되어 없어져 버리는데 콘덴서는 이 정전기를 저장할 수 있는 부품인것입니다. 마찰하면 왜 전기가 일어나는것을까?물질의 가장 근본이 되는 것은 원자로서 누구나 잘 알고 있을 수 있습니다. 그 원자 구조에 차이가 있으므로 여러가지 물질이 존재하는 것입니다.수소원자는 핵1개와 전자1개로 이루어진 아주 간단한 구조입니다. 그리고 원자핵의 전하(+)와 전자의 전하(-)가 같고 균형이 잡혀있습니다.이와같은 상태를 중성이라고 하며 전기적인 성질은 나타나지 않습니다. 나트륨과 염소의 원자 전자의 수는11과17로 다르지만
각각의 원자핵의 전하와 전자 모두의 전하가 서로 균형을 이루고 있습니다. 그러나 나트륨이 바깥쪽 궤돌ㄹ 돌고 있는 전자는 1개이고 염소의 경우는 7개입니다. 바깥쪽의 전자가8개가 되어야 가장 안정되므로 염소의 원자는 바깥에서 원자를 1개 받는 것이 더 쉬운 사태에 있다고 할수있습니다. 그러나 나트륨쪽은 바깥에서 7개를 받는 것이 아니라 1개를 바깥으로 방출하므로써 안정되기 쉬운 상태가 됩니다. 어떤 원인으로 염소 원자가 바깥에서 전자를 받았다고 하면 바깥쪽 궤도는 8개가 되어 안정되지만 전자 1개 만큼 불균영으로 되어 버립니다. 이처럼 마이너스의 전자를 받아서 불균형으로 되는 상태를 마이너스로 대전 하였다든가 마이너스 이온으로 되었다고 합니다. 반대도 나트륨의 원자가 전자 1개를 잃어버린 상태와 같은 경우를 플러스로 대전 하였다든가 플러스 이온으로 되었다고 합니다. 마찰을 시키면 전자의 이동이 쉬워지고 앞에서 설명하였듯이 물건을 서로 문지르면 바깥쪽 궤도의 전자의 수가 달라지므로 플러스와 마이너스로 대전하므로 전기가 생긴다고 말할수있습니다.
일단 n형반도체 구조와 p형반도체 구조를 말로는 설명하기 힘들어서 이미지를 올려놓겠습니다. As는 비소원자 Si는 규소원자이고 B는 붕소원자입니다.
위 이미지는 n형 반도체입니다. 자유전자가 하나 남아서 (+)전하를 갖습니다.
위 이미지는 p형 반도체입니다. 전자 1개가 부족해서 (-)전하를 갖습니다.
그럼 다이오드는 어떻게 전기를 흘려보내는지 그 구조를 잘 보고 이해하시길 바랍니다.
위 이미지를 잘보시면 다이오드에 전기를 가했을때 n형반도체는 음의 전하이므로 전지의 (+)쪽으로 끌립니다.그리고 p형반도체는 양의 전하이므로 전지의(-)쪽으로 정공이 끌립니다.마치 자석과 같습니다. 자석에 N극과N극은 밀어내고 S극과N극은 서로 붙는것처럼 말입니다. 그래서 전지를 연결해도 램프는 점등하지 않습니다. 램프가 점등하지 않는 전기가 흐르지 않는 가장 큰이유입니다. 위 이미지 밑에보면 역방향으로 전압을 가한다고 쓰여있습니다. 꼭 외우시길바래요.
위 이미지는 다이오를 순방향으로 전압을 가했을때 램프가 불이 들어옵니다. 반도체에 정공과 자유전자의 움직을 잘 보시고 이해하시길 바랍니다. 마찬가지로 순방향으로 전압을 가한다라는말 중요하닌까 꼭 외우시길 바래요.
마지막으로 위 이미지는 다이오드 전압과 전류의 흐름을 그림으로 표현해봤습니다. 잊지마세요 전류와 전압은 플러스에서 마이너스로 흐립니다.트랜지스터도 마찬가지로 N형P형 반도체를 합쳐놓은것이라고 생각하시면 좋을것같습니다.
코일의 상호 인덕턴스에 의해 동작하는 변압기 역사의 시작은 인덕터의 전자 유도 현상과 전자 유도 법칙을 발판으로 유도 코일의 발견괴 철심의 와전류에 대한 문제 등을 개선이 이루어졌고 20세기에 들어와 미국의 스탠리가 변압기를 발명하였습니다. 그는 모든 전기 회로는 역학에서 작용과 반작용의 관계와 유사하게 한 회로에 기전력이 존재하면 반드시 역기전력이 발생하여 평형을 유지하고 이러한 역기전력은 자석의 교번에 의해 만들어진다고 했습니다. 스탠리는 엷은 절연지로서 철판을 전연 성충하여 여러 변압기를 만들어 교류 배전에 이용하였고 이것이 교류 배전 방식의 시초가 되었습니다 그러나 스탠리가 사용한 철심은 성질이 열화됨에 따라 서서히 철손이 증가하는 단점을 가졌고 영국의 하드필드는 이러한 문제점을 개선하기 위해 규소강판을 이용하였고 독일의 굼리치는 규소강판의 공업적인 양산을 이룩하였습니다.
변압기를 트랜스포머라고 합니다.동작의 기본 원리는 상호 인덕턴스에 의한 상호 유도 작용입니다. 상호 유도 작용은 두개의 코일이 서로 가까이 놓여 있을때 일어납니다. 실제로 간단한 변압기는 두개의 코일로 만들어지며 이러한 두 개의 코일은 코일 사이에 존재하는 상호 인덕턴스에 의해 자기적으로 결합하게 됩니다. 두개의 코일은 전기적 접촉 없이 자기적으로만 결합되기 때문에 전기적으로는 완전히 분리된상태에서 한 코일에서부터 다른 코일로 에너지를 전달할수있게됩니다. 이렇게 전기적 절연상태에서의 에너지 전달은 많은 장점을 가지고있습니다. 상호유도 작용은 두개의 코일이 서로 가까이 놓이게 될 경우 한 코일에 흐르는 전류가 시간에 따라 변화하게 되면 역시 시간에 따라 변하는 전계와 자계가 발생합니다. 이렇게 전계와 자계는 다른 코일에 유도 전압을 일으키며 이를 코일의 상호 유도 작용이라고 하고 이러한 작용은 코일 사이의 상호 인덕턴스에 의해서 일어납니다.
위 이미지를 보면 두개의 코일 중에서 전원이 연결되는 쪽의 코일을 1차 권선이라하고 부하Vind가 연결된 다른쪽을 2차 권이라고 부릅니다.변압기는 두 권선이 한개의 코어에 감겨 있는것이 일반적이며 코일을 감는 방법에는 여러가지가 있습니다. 코어에는 공기코어 철코어 페트라이 코어가 있습니다. 공기 코어는 비자성체로 만들어진 원통에 1차 권선과 2차권선을 감은 것으로 두 권선을 서로 분리하여 감거나 겹쳐서 감기도 합니다. 이때 겹쳐서 감겨진 코일의 결합 계수가 분리한 경우보다 크고 상호 인덕턴스도 커집니다. 그리고 철이나 페트라이트 코어나 철를 이용한 변압기는 결합 계수가 더욱 증가합니다. 고주파 회로에서 주로 사용하는 공심 변압기나 페트라이트 변압기는 코어의 바깥에 절연판을 대고 절연판 위에 코일을 감아 만들게 됩니다. 철심 변압기는 가청 주파수 신호를 주로 다루는 회로나 전원 회로 등에 사용되고 강자성체로 만들어진 얇은 판을 여러개 겹쳐서 코어를 구성하고 이것에 코일을 감아서 만듭니다. 이러한 구조로 하면 자속이 코어를 통하여 형성되며 두 코일 사이에 자속의 결합량이 증가하게 됩니다.
변압기에서 중요한 요소 중의 하나가 권선비(n)입니다. 권선비 식은 n=Ns/Np 입니다. Ns는 2차 권선의 감은 횟수고 Np는 1차 권선의 감은 횟수입니다. 권선비 이외에 변압기에 영향을 주는 중요한 요소가 코어에 감겨지는 권선의 방향입니다. 위 이미지는 변압기 권선의 방향에 따라 권선의 양단에 나타나는 전압의 위상을 보여주고 있습니다. 1차와 2차 권선의 양단에 전압의 극성을 알 수 있도록 권선에 위상점을 표기 하고 있습니다.
승압변압기는 2차 전압의 크기가 1차 전압보다 높은 변압기를 말하고 이와 같은 전압의 증가는 권선비의 조정으로 이루어집니다. 즉 2차 전압과 1차 전압비는 2차 권선의 권선수와 1차 권선의 권선수와의 권선비와 동일합니다. 위 이미지를 예를들어 변압기의 1차측 권선수는 300회,2차측 권선비는 600회라고하면 권선비식n=Ns/Np에 의해서 권선비는1:2가 됩니다. 그럼 1차측전원이 120v라고 했을때 2차측은 240v가 됩니다. 그리고 감압변압기는 교류 전압의 크기를 감소시키는 것으로 2차 전압의 크기가 1차 전압의 크기보다 작은 변압기를 의미합니다. 물론 2차 전압의 크기는 권선비에 의 결정되고 감압 변압기의 전압을 얻기 위한 식은 n=Ns/Np 랑 같습니다. 예를 들어 1차측권선수를 200회로하고 2차측 권선수를 50회로 한다면 1/4가 나오는데 1차측 입력전원이120v닌까 이것을 나누면 30v가 나옵니다.
인덕터란 도선을 감은것을 말하며 코일이라고도 합니다.인덕터를 통화하는 전류는 자기장을 만들고 인덕터와 인덕터 사이에 형성된 자력선은 강력한 자기장을 부가합니다.코일을 인덕터 또는 리액터라고도 부릅니다. 영어론 휘감다라는 뜻이라합니다. 코일에 전류를 흘려주면 주변에 자기장이 발생합니다.
위 이미지를 보면 두개의 코일이 멀리 분리된 경우에는 코일 사이에 반대방향으로 자력선이 나타납니다.
하지만 가까워질 경우에는 반대방향의 자력선은 상쇄되어 총 자기장이 나타납니다.위와 같은 결과는 인덕터에서 가까이 많은 코일이 인접할 경우에는 자력선이 모두 부가되어집니다. 이와같이 부가된 코일로 인해서 자기장의 강도도 부가하게 됩니다.여러개의 코일이 인접한 경우에 부가된 자력선의 총 자기장을 나타나고 자기장의 방향은 N극과S극을 만듭니다. 1820년 외르스테드는 전류에 의해 생성된 자기효과로부터 전기와 자기사이의 관련성이 이싸는 것을 발견하게 되었습니다.1831년 패러데이는 역효과로서 자기장에 의해서 생성되는 전류를 찾고자 시도하여 코일을 통해 자석을 움직임으로서 전압은 완전한 경로가 이루어졌을때 코일의 양단에 유도되고 유도 전압은 유도 전류의 원인이 된다고 생각하였습니다. 즉 유도 전압의 총량은 인덕터에 대한 자기장의 변화율에 비례합니다. 이것이 패러데이의 법칙입니다.
코일을 말아서 그 안에다가 자석을 움직여보면 전압이 오르락 내리락합니다. 즉 유도 전압은 변화하는 자가장에 의해 생성된다는것을 알수있습니다.유도된 전압은 코일의 감은 횟수N에 비례하고 자기장의 변화율 d자속변화율/dt에 비례합니다. 인덕터를 통해 흐르는 전류가 존재할때 자기장이 발생합니다.전류가 변하면 자기장 역시 변합니다. 전류의 증가는 자기장을 늘리고 전류의 감소는 자기장을 감소시킵니다.그러므로 전류를 변화시키는 것은 인덕터 주변에 있는 자기장을 변화시킵니다. 이 모든것들을 자기인덕턴스라고 하는데 그냥 인덕턴스라고합니다. 인덕턴스 기호는 L이라고하고 전류의 변화를 방해하는 코일의 성질이라고 결론지으면 될것같습니다. 결국 인덕터라는것은 코일이라고 생각하고 이 코일에 능력은 전류변화의 결과로서 유도 전압을 생성시킬수있는게 인덕터의 능력입니다. 인덕터를 통한 전류가 변화할때 유도된 전압은 변화하는 자기장의 결과로서 생성되고 유도된 전압의 방향은 항상 전류에서의 변화에 대해 저항하게됩니다. 이것을 렌즈의 법칙이라고 합니다.
인덕턴스가 크면 클수록 유도 전압이 커지고 인덕터에 전류가 빠르게 변화하면 할수록 유도 전압은 커집니다. 인덕턴스를 정의하면 1H는 시간당 1A의 비율로 변화되고 인덕터를 통해 흐르는 전류가 인덕터 양단에1V전압을 유도했을경우를 말합니다. 그리고 인덕터는 전류에 의해 생성된 자기장으로 에너지를 저장합니다.에너지 단위는 J(줄)이라고합니다.1J이란 1N(뉴턴)의 힘으로 어떤 물체를 1m만큼 밀고 갔을때 행해진 일의 양입니다. 그리고 1N은 약 102g의 질량을 가진 물체의 무게에 해당합니다. J=1N 이라고 정의합니다. 보통 인덕턴스란 무엇인지 찾아보면 거의 이런식으로 쓰여있습니다. 솔직히 어렵습니다. 인덕터의 특징은 전류의 변화를 안정시키려고 하는 성질이 있습니다. 코일에 전류가 흐르려고 하면 코일은 전류를 흘리지 않으려고 하며 전류가 감소하면 계속 흘리려고 하는 성질을 갖고있습니다. 또한 전자석의 성질이 있습니다. 코일에 전류가 흐르면 절이나 니켈을 끌어당기는 자석의 성질을 갖습니다.
그리고 공진하는 성질이 있습니다. 코일과 콘덴서를 적절히 구성하면 어떤 특정 주파수의 교류전류가 흐르지 않거나 쉽게 흐르도록합니다. 마지막으로 전원 노이즈 차단기능이 있습니다. 코일의 전류의 변화를 안정화시키는 기능을 이용해서 외부로부터 유입되는 노이즈를 효과적으로 차단하는 기능을 가집니다. 회로가 흐르고있는 전류의 변화에 의해 전자기 유도로 생기는 역기전력의 비율을 나타내는 양,단위는H(헨리)이고 기호는 L이다.이것을 인덕턴스(유도용량)이라고 합니다.
코일의 쓰임은 너무 많습니다. 코일을 감아서 모터를 만든다든가 아님 발전기를 만든다는가 혹은 변압기를 만듭니다.또 무선충전기도 코일이 들어갑니다.가장 대표적인것들이라 할수있습니다.보통 회로에선 노이즈를 잡을때 혹은 전류변화를 잡을때 쓰이고 여러종류의 전압을 원을때 많이 쓰기도 합니다.우리 어렸을때 110v에서 220v의 전압으로 바꼇을때 대부분 가전제품이 110v였기때문에 변압기로 220v에서 110v로 전압을 다운시켜서 많이 쓰였습니다. 그 변압기안에도 코일이 들어가있습니다. 일단 코일에 전류를 흘려주면 생기는 자기장을 보통 에너지라고 생각하면 좋을듯합니다. 전류를 흘려주다가 갑자기 전류를 끊으면 기전력이 생긴다고합니다. 그 기전력을 전기라고 생각한다면 자기장은 곧 에너지라고 생각이 듭니다. 즉 전류의 크기를 크게해서 흘려줄수록 자기장도 세지고 그만큼 에너지도 많이 축적이 될것입니다. 이런 에너지를 어디에 쓰느냐라는 궁금한게 생길것같습니다. 예를 들어 인버터같은 경우에는 전류에 흐름이 많이 오르락내리락합니다. 여기에 인덕터라는 녀석을 써주면 그 오르락내리락하는 전류를 어느정도 잡아줄수있습니다. 그리고 인버터처럼 고전압을 필요로하는곳은 회로로 전압을 올려주는것은 한계가 있습니다. 하지만 코일은 그런한계가 없다고 생각이 듭니다. 다만 크기 점점 커질뿐입니다. 비용차원에서도 많이 들것이구요.
인덕터의 쓰임 조금더 이해하기 쉽게.
스위치를 닫는 순간, 인덕터는 역기전력으로 인해 매우 큰 저항을 가진 것과 같아집니다. 따라서 대부분의 전류는 LED로 흐릅니다.스위치를 닫은 상태로 시간이 흘러 인덕터의 저항 성분이 줄어들면, 대부분의 전류가 LED 대신 인덕터를 통해 흘러갑니다. 인덕터의 저항 성분이 줄어들면 매우 센 전류가 흐르면서 열이 발생합니다.
스위치를 닫으면 인덕터에 자기장이 형성됩니다.잠시후 스위치를 열면 자기장의 감소에 반대하여 인덕터에 역기전력이 만들어지고 이 역기전력으로 인해 LED가 점등됩니다. 오늘은 여기까지......
