전류
단어의 뜻은 전기의 흐름이라는 뜻인데요. 전기도 물과 같이 흐른다는 개념으로 접근하면 이해하는 도움이 되실겁니다.
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| 사진1 - 꼬마전구 켜기 |
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| 회로1 - 꼬마전구 켜기 |
요즘은 어떤지 모르겠지만 초등학교 가면 '사진1' 처럼 꼬마전구를 켜는 과학 실험을 합니다. 여러분들도 다들 해 보셨겠지요? '사진1'을 회로로 나타낸 것이 '회로1' 입니다. '회로1'에서 중앙에 'I' 라고 원에 화살표가 붙어 있는데 그것이 전류를 표시한 것입니다. 전류가 시계방향으로 흐른다 정확히는 건전지의 + 극에서 꼬마전구를 통과해 - 극으로 한바퀴를 도는 회로입니다. 전류를 표시할 때는 영어 대문자로 'I' 라고 표시하고(직류) '아이' 라고 읽습니다. 전류량을 표시할 때 단위로는 영어 대문자 A 라고 표시하고(직류) '암페어' 라고 읽습니다. 그래서 예를 들면 '전류가 1만큼 흐르고 있다' 는 'I=1A' 라고 쓰고 '아이는 일 암페어' 라고 읽습니다. 전류가 1암페어 흐르고 있다는 뜻이죠.
- 전류 기호 : I (아이)
- 전류 단위 : A (암페어)
전압
단어의 뜻은 전기의 압력이라는 뜻인데요. 물을 예로 들면 수압이라는 말이 있습니다. 수압이 작을 때 수도꼭지에서 물이 줄줄 흘러나오죠. 수압이 쎄면 파악 하고 쏟아져 나옵니다. 기계적으로 수압을 만들어 주는 것도 있지만 여기서는 전압의 이해를 돕기위해 물의 양으로 생각해 볼게요. 물통에 같은 크기의 구멍이 뚫려있다면 물이 많을수록 물의 무게 때문에 아래쪽에서 받는 압력이 커질 겁니다.
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| 사진2 - 수압 |
'사진2'를 보면 제일 아래 구멍에서 물이 제일 세게 나오죠. 이렇게 위치에 따라서 압력이 다르기 때문에 전압을 '전위차'라고도 합니다. 전압의 +, - 는 높낮이를 표현 한다고 보시면 됩니다. 높낮이는 상대적이기 때문에 + 전압이 더 높은 + 전압원을 만나면 상대적으로 - 전압이 되는 것이죠.
'회로1'에서 건전지는 '전압원'이 됩니다. 전압을 표시할 때는 영어 대문자로 'V' 로 표시하고 '브이' 라고 읽습니다. 전압의 크기를 표시하는 단위로 'V' 를 사용하고 '볼트' 라고 읽습니다. 똑같은 V 라서 헷갈릴수도 있지만 단독으로 표시되는 V 는 전압을 나타내는 '브이' 이고 숫자와 함께 표시되는 V 는 '볼트' 입니다.
- 전압 기호 : V (브이)
- 전압 단위 : V (볼트)
'회로1' 에서 건전지의 전압이 1.5V 라고 써있는데 숫자 뒤에 V 는 '볼트' 겠죠. '회로1'에서 a 와 b 가 있는데 화살표로 연결해 놓았죠. a와 b에 걸리는 전압이 1.5V 라는 뜻입니다. 더 정확하게 말하면 'a 에서 b 로 전류가 흐를때 전압 강하량은 1.5V 이다' 라고 할 수 있겠습니다. 전압을 이해할 때는 항상 방향성을 생각해야 합니다.
전력
전력은 전압과 전류를 곱해서 나오는 수치를 전력이라고 합니다. 기호는 영어 대문자 'P' 로 표시하고 '피' 라고 읽습니다. 전력량의 단위로 영어 대문자 'W' 를 쓰고 '와트' 라고 읽습니다. 전력은 굉장히 중요한 수치입니다. 나중에 차단기나 전선을 선정해야 하는데 이 때 반드시 전력 수치가 필요합니다. 전력은 전류와 전압의 곱이라고 했는데 기호로 정리하면
- 전력 P=VI [W]
- 전압 V=P/I [V]
- 전류 I=P/V [A]
이렇게 정리가 됩니다. '회로1' 에서 꼬마전구의 전력이 0.1W, 전압이 1.5V, 전류는 안 나와 있는데 위에 정리한 식에 대입해서
- I=P/V=0.1/1.5=0.066666... [A]
전류는 약 0.067A 가 나오게 됩니다. 이런 계산식은 실무에서도 기본적으로 사용되며 실생활에서도 유용하게 써먹을 수 있으니 꼭 익혀두시길 바랍니다.
옴의 법칙
독일의 물리학자 '게오르그 시몬 옴'은 전압, 전류, 저항 특정한 방법으로 관련이 있다는 것을 발견했습니다. 저항은 자동제어 실무에서 그렇게 많이 쓰이는 개념은 아닙니다. 저항은 전자회로 쪽에서는 기본개념일 정도로 사용되지만 자동제어 설비쪽에서는 많이 다루지 않습니다. 그럼에도 불구하고 옴의 법칙은 알고 있어야 하고 때때로 필요하기도 합니다.
저항의 기호는 영어 대문자로 'R' 이고 '알' 이라고 읽습니다. 저항의 단위로 'Ω' 이라고 쓰고 '옴' 이라고 읽습니다.
- 저항 기호 : R (알)
- 저항 단위 : Ω (옴)
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| 그림1 - 옴의 법칙 버튼 |
'그림1'은 전압, 전류, 저항 즉 VIR 의 관계식을 알기 쉽게 버튼 모양으로 설명한 그림입니다.
키르히호프의 법칙
독일의 물리학자 '구스타프 로베르트 키르히호프'는 전기 회로 내에서 에너지 보존에 관한 두가지 법칙을 발견했습니다. 하나는 전류, 또 하나는 전압에 관한 것입니다. 키르히호프의 법칙은 자동제어 실무에서 저항과 마찬가지로 많이 쓰이지 않습니다. 주로 전기공학, 전자공학에서 전기 기기의 회로설계시 사용되지만 이것도 역시 전기인이라면 기본적으로 알고 있어야 하는 법칙입니다.
1. 전류 법칙
회로의 한 점에서 들어온 전류와 나간 전류의 합은 항상 0 이다.
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| 그림2 - 키르히호프의 전류법칙 |
'그림2'에서 i 는 전류이고 중앙 점을 기준으로 화살표 방향으로 들어오고 나간 전류를 표현한 것인데요. 들어온 양만큼 나간다는 뜻입니다. 아니 나가는 만큼 들어온다는 표현이 더 정확하겠네요. 전류가 흐르는 이유는 전기를 소비하는 개체가 있을 때 소비하는 만큼의 전류만 흐르기 때문입니다.
- i1 - i2 - i3 + i4 - i5 = 0
2. 전압 법칙
회로의 어느 한 점에서 시작하여 한바퀴를 돌아올 때 상승된 전압의 합은 전압강하의 합과 같다. 어떤 전압이든지 회로를 한바퀴 돌아오면 0V 가 된다는 것이고 나간 전압은 모두 소모된다는 뜻입니다.
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| 그림3 - 키르히호프의 전압법칙 |
'그림3'은 가가의 v 를 기준으로 전압상승이 된것을 + 전압강하가 일어난 쪽을 - 로 표시 한 것입니다. 한 점을 기준을 잡아 봅니다. v1 과 v4 가 만나는 왼쪽위의 점을 기준으로 시계방향으로 돈다고 했을 때(반대로 해도 어느 점에서 해도 됩니다)
- -v1 + v2 + v3 - v4 = 0
이렇게 정리할 수 있습니다. 어느 점에서 시작하고 방향이 어느 쪽이든 모든 +, - 의 합은 0 이 됩니다.
맺는말
이렇게 전류, 전압, 전력, 옴의 법칙과 키르히호프의 법칙에 대해서 알아보았습니다. 사실 자동제어할 때는 위의 법칙들을 꼭 알 필요는 없습니다. 전장 설계에서는 옴의 법칙과 키르히호프의 법칙보다는 PIV 의 관계식을 많이 쓰고 다만 전기인으로서 알아야 기본 법칙이라고 생각해 주십시오. 우리가 가야 하는 길에는 이미 만들어진 전기 부품의 이해와 장비에 대한 사양서, 도면과 프로그램 툴사용법 등의 순수전기의 2차적인 산물에 대해서 다루어야 합니다. 다음에는 시퀀스 회로도에 대해 설명해 보겠습니다. 감사합니다.
