Ⅰ. 전기의 본질
1. 전기와 물질
모든 물질은 매우 작은 분자 또는 원자의 결합으로 되어 있고, 이들 원자는 원자핵과 그 주위를 돌고 있는 원자로 구성되어 있다. 원자핵은 양전기를 가진 양자와 전기적인 성질이 없는 중성자로 구성되어 있다.
2. 전자와 양자의 성질
① 양자는 양전기(+), 전자는 음전기(-)를 가지고 있으며, 같은 종류의 전기는 서로 반발하고, 다른 종류의 전기는 서로 끌어당긴다.
② 전자의 질량 : 9.109 * 10^-31 [㎏]
③ 양자의 질량 : 1.672 * 10^-27 [㎏] (전자의 1,840배)
④ 1개의 전자가 가지고 있는 전하의 절대값 : 1.602 * 10^-19 [C]
3. 자유전자
원자의 궤도에서 최외각을 돌고 있는 전자
4. 전하와 전기량
대전된 물체가 가지고 있는 전기를 전하라 하고, 전하가 가지고 있는 전기의 양을 전기량(전하량)이라 한다. 기호는 Q, 단위는 C(Coulomb)으로 나타낸다.
Ⅱ. 전기회로
1. 전류
(1) 전류
전기의 흐름, 즉 전자의 이동
(2) 전류의 세기
① 단위 시간당 이동한 전기의 양으로 기호는 I, 단위는 A(Ampere)라 한다.
② 1 A : 1초 동안에 1 C의 전기량이 이동했을 때의 전류의 크기
I = Q / t [A]
Q = I * t [C] I : 전류 [A], Q : 전기량 [C], t : 시간 [sec]
2. 전압
(1) 전압
회로에 전류가 흐르기 위해서는 전기적인 압력이 필요한데 이 전기적인 압력을 전압이라 하며 기호는 V, 단위는 V(Volt)로 나타낸다.
(2) 기전력
전압을 연속적으로 만들어 주는 힘
(3) 전위차
1 C의 전기량이 두 점 사이를 이동하여 1 J의 일을 할 때, 이 두 점 사이의 전위차는 1 V이다.
V = W / Q = W / (I * t) [V]
W = Q * V [J] V : 전압 [V], Q : 전기량 [C], W : 일량 [J]
3. 저항
(1) 저항
전기회로에 전류가 흐를 때 전류의 흐름을 방해하는 것으로 기호는 R, 단위는 Ω (Ohm)으로 나타낸다.
(2) 콘덕턴스
저항의 역수로 전류의 흐르는 정도를 나타내며 기호는 G, 단위는
(mho), G (Siemense), Ω^-1 으로 나타낸다.4. 오옴의 법칙
전기회로에 흐르는 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다.
I = V / R [A]
V = I * R [V]
R = V / I [Ω]
Ⅲ. 저항의 접속
1. 직렬접속
① 각 저항에 흐르는 전류 I는 모두 같다.
② n개의 합성저항 R(n) = R₁+ R₂+ R₃+ ......
③ 동일한 저항 n개를 직렬로 접속하면 합성저항 R(n) = n * R
④ 각 저항에 가해진 전압강하는 저항에 비례한다.
I = V / R
V = IR₁= V * R₁/ R = V * R₁/ (R₁+ R₂) [V]
V = IR₂= V * R₂/ R = V * R₂/ (R₁+ R₂) [V]
2. 병렬접속
① 각 저항에 흐르는 전압 V는 모두 같다.
② 합성저항
R = 1 / (1/R₁+ 1/R₂+ 1/R₃+ ......)
R(n) = R / n
④ 각 저항에 흐르는 전류
I₁= V / R₁= I * R₂/ (R₁+ R₂) [A]
I₂= V / R₂= I * R₁/ (R₁+ R₂) [A]
3. 직·병렬 접속
합성저항 R은
R = R₁+ 1 / (1 / R₂+ 1 / R₃) = R₁+ R₂* R₃/ (R₂+ R₃) [Ω]
Ⅳ. 전위의 평형
1. 전위의 평형
전기회로에서 두 점 사이에 0인 경우 이 때 두 점의 전위가 평형되었다고 한다.
2. 휘스톤브리지 (Wheatstone Bridge)
검류계 G의 지시계가 0이면 브리지가 평형되었다고 하며, c, d점 사이의 전위차는 0이다. 이 때 평형조건은
PR = QX (마주보는 변의 곱은 서로 같다)
3. 전위차계
전위차를 표준전지의 기전력과 비교함으로 전압을 측정하는 계기가 전위차계이며 전위차계를 사용하면 전류를 흘리지 않고 정밀한 전압측정이 가능하다.
① 검류계 : 미소한 전류를 측정하기 위한 계기로 브리지회로 등에 사용
② 전위차계 : 0.1 Ω 이하의 저저항 측정
③ 휘스톤브리지 : 0.1~10^5 Ω의 중저항 측정
④ 메거 : 10^5 Ω 이상의 고저항 측정
멀티테스터기 : 직류전압, 교류전압, 직류전류, 저항 등을 측정
Ⅴ. 전류계와 전압계
1. 전류계
① 전류를 측정하는 기기를 전류계라 하며, 측정대상 회로와 직렬로 접속한다.
② 분류기 : 전류의 측정범위를 확대하기 위해 병렬로 접속한 저항
2. 전압계
① 전압을 측정하는 기기를 전압계라 하며, 측정대상 회로와 병렬로 접속한다.
② 배율기 : 전압의 측정범위를 확대하기 위해 직렬로 접속한 저항
Ⅵ. 키르히호프의 법칙 (Kirchhoff's Law)
1. 제 1 법칙 (전류 평형의 법칙)
회로망 중의 임의의 한 점에서 흘러 들어노는 전류와 나가는 전류의 대수합은 0이다.
I₁+ I₂+ I₃+ I₄+ ...... + I(n) = 0
또는
Σ I = 0
다음 그림에서
I₁+ I₃= I₂+ I₄
우변의 값들을 좌변으로 옮기면,
I₁+ I₃- I₂- I₄= 0
회로망 중의 임의의 폐회로의 기전력의 대수합과 전압강하의 대수합은 같다.
E₁+ E₂+ E₃+ E₄+ ...... + E(n) = IR₁+ IR₂+ IR₃+ IR₄+ ...... + IR(n)
또는
Σ E = Σ IR
다음 그림에서
E₁- E₂= I₁R₁- I₂R₂
Ⅶ. 전력과 열량
1. 전력량
(1) 전력
1초 동안에 전기가 하는 일의 양을 전력이라 하며, 기호는 P, 단위는 W(watt)로 나타낸다.
P = V * I = I² * R = V² / R [W]
(2) 전력량
일정한 시간 동안 전기가 하는 일의 양을 전력량이라 하며, 기호는 W, 단위는 J (Joule)로 나타낸다.
W = V * I * t = I² * R * t = P * t [J]
2. 전류의 발열작용 (주울의 법칙)
저항 R [Ω]에서 I [A]의 전류가 t [sec]동안 흐를 때 이 때의 발열량은
H = I² * R * t [J]
H = 0.24 * I² * R * t [㎈] 1 J = 0.24 ㎈
Ⅷ. 전기저항 및 저항의 온도계수
1. 고유저항
전류의 흐름을 방해하는 물질의 고유한 성질을 고유저항, 저항률이라 하며, 기호는 ρ, 단위는 Ω·m 로 나타낸다.
ρ = R * A / l [Ω·m] R : 저항 [Ω], A : 도체의 단면적 [㎡], l : 도체의 길이 [m], ρ : 고유저항 [Ω·m]
2. 도체의 저항
도체의 저항은 물체의 고유저항(ρ)과 도체의 길이 l에 비례하고 단면적 A에 반비례한다.
R = ρ * l / A [Ω]
3. 도전율
고유저항의 역수로 물질 내의 전류가 흐르기 쉬운 정도를 나타내며, 기호는 σ, 단위는
/ m로 나타낸다.4. 저항의 온도계수
온도변화에 의한 저항의 변화를 비율로 나타낸 것을 저항의 온도계수라 하며, 기호는 α, 단위는 1/℃로 나타낸다.
R₂= R₁+ α * R * (t₂- t₁) = R₁* {1 + α * (t₂- t₁)}
R₂: 변화 후 저항, R₁변화 전 저항, α : t₁의 온도계수, t₂: 변화 전 온도, t₁: 변화 후 온도
Ⅸ. 각종 법칙
1. 암페어의 오른나사법칙
전류에 의한 자계의 방향을 결정하는 법칙
2. 비오사바아르의 법칙
직선 전류에 의한 자계의 세기를 나타내는 법칙
3. 플레밍의 왼손 법칙
전동기에 관한 법칙 (힘, 자계, 전류의 방향)
4. 렌쯔의 법칙
자속변화에 의한 유도 기전력의 방향 결정
5. 플레밍의 오른손 법칙
도체운동에 의한 유도 기전력의 방향 결정 (발전기)
6. 패러데이의 법칙
유도 기전력의 크기 결정, 전기 화학당량에 비례
Ⅹ. 전류의 화학작용과 전지
1. 페러데이의 법칙
전해액에 전류가 흘러 화학변화를 일으키는 현상을 전기분해라 하고, 이 전기분해에 관한 실험을 패레데이의 법칙이라 한다.
① 전기분해에 의해 석출되는 물질의 양은 전해액을 통과한 총전기량에 비례한다.
② 전기량이 일정할 때 석출되는 물질의 양은 화학당량에 비례한다.
2. 연(鉛, 납) 축전지
2차 전지의 대표적인 것으로 납(연) 축전지는 (+)극에 PbO₂(이산화납), (-)극에는 Pb(납)를 전극으로 하고, 전해액은 비중 1.2의 H₂SO₄(묽은 황산)을 쓴다.
① 양극 : 이산화납 (PbO₂)
② 음극 : 납 (Pb)
③ 전해액 : 묽은 황산 (H₂SO₄)
④ 화학반응식
PbO₂+ 2H₂SO₄+ Pb (충전) ↔ PbSO₄+ 2H₂O + PbSO₄(방전)
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