[Lv1] 1장. 직류회로 ① 옴의법칙과 키르히호프 법칙

안녕하세요!

오랜만에 포스팅을 하게 되네요

이번부터는

회로이론을 공부해보려고 합니다

회로이론은 전기자기학과 함께

다른 과목의 이론적 베이스가 된다는 점에서

중요한 과목입니다

따라서 기본부터 차근차근 해나가는 것이

차후의 내용을 받아들이기 위해서 중요하지만 

앞선 전기자기학 포스팅 때도 언급했듯이

모든 내용을 처음부터 꼼꼼히 보는 것은

회독의 시간도 너무 오래걸리고

지치는 공부가 되는 것을 경험했기 때문에

우선은 전기기사를 위해 필요한 내용들

즉 문제를 풀기 위한 개념들 

위주로 추려서 다루고

조금 까다로운 내용이나

정확한 이론적 배경을 설명하는 것은

차후에 차근차근 내용을 레벨업해서 

공부하려고 합니다

또한 전기기사의 경우는

회로이론과 제어공학을 

함께 출제하기 때문에

회로이론만을 출제하는

 전기산업기사와는

세세한 문제유형에서

 조금 차이가 납니다

과년도 기출 위주로 자주 나왔던것을

Lv1에서 먼저 다루려고 하는데

이는 전기기사를 기준으로 한 것임을

참고하시면 좋을 것 같습니다 : )

그럼 1장부터 시작해봅시다!!

사실 기사시험에서

1장 내용이 직접 문제화되는 경우가

드물지만

앞으로의 회로 공부를 위한

기본기를 위해 기초적인 부분을

일부 다루려고 합니다

1장의 제목이

직류회로입니다

직류란

일정하게 한 방향으로 흐르는

 전류입니다

다음장에서 나올 교류라는 개념과

대조되는 용어로서

우선은 직류라는게 있나보다

 하시면 됩니다

'회로'는 전기가 지나는길을

뜻한다고 보시면 됩니다

***

* 용어 및 개념정리

(옴의법칙)

기본적인 용어의 개념을

살펴보고 넘어가려고 합니다

다른 분들 강의나 설명에서도

이야기하듯이

전압, 전류, 저항을

물에 빗대어 이해하는 것이

직관적으로 잘 와닿는 것 같습니다

높이차가 생기면

물은 높은 곳에서

낮은 곳으로 흐른다는 것을

쉽게 이해할 수 있습니다

높이차가 클수록

물이 더 세게 흐를 것이라는 것도

쉽게 이해가 될 것입니다

물에서 높이차에 해당하는 것을

전기에서는 '전압' 또는 '전위차' 라고

하고 기호는 $V$ 를 사용합니다

( 단위도 V[볼트] 입니다)

전압이 높은곳에서 

전압이 낮은곳으로

전기가 흘러가는 것이지요

이때 흘러가는 전기를

'전류'라고 하고 기호로 $I$를 사용합니다

(단위는 A[암페어] 입니다)

높이차가 크면 

물이 흐름이 더 세지듯이

전압이 크면

전류의 세기도 더 세집니다

즉 

전류의세기는 

전압에 비례합니다

물이 흐르는 경로에

장애물이 있다면 

없을 때보다 물의 흐름이

방해를 받듯이

전류의 흐름을 방해하는 요소를

 '저항'이라고 하고 기호는 $R$입니다

(단위는 Ω[옴] 입니다)

저항의 크기가 클수록

전류의 세기는 

더 많이 방해받으므로

약해집니다

즉 

전류의세기는

저항에 반비례합니다

종합해보면

전류의 세기는

전압에 비례하고

저항에 반비례합니다

식으로 나타내면

$I=\frac{V}{R}$ 또는 $V=IR$

로 활용하고 이를

옴의 법칙이라고 합니다

사실 결론적으로 물과

연관짓지 않더라도

옴의 법칙의 식만

잘 암기하고 활용해서 

계산할수 있으면 됩니다

예) 전압이 10[V] , 저항이 5[Ω]인 회로에

흐르는 전류는 몇 [A]인가?

$I=\frac{V}{R}$ 이므로

$I=\frac{10}{5}=2[A]$

우리가 사용하는 건전지는

보통 1.5[V]의 전압을 가진다고

알려져있습니다

(-)극을 0[V]로 잡았을 때

(+)극이 1.5[V] 높은 것이죠

(+)극에서 전선을 연결해 

(-)극까지 이어주면

1.5[V]와 0[V]의 전압차가 생겨

전류가 흐를수 있게 됩니다

이를 회로도로 표현하면

다음과 같습니다

왼쪽에 보이다시피 건전지 부분을 

긴 직선을 (+)극

짧은 직선을 (-)극으로

표현합니다

마찬가지로 전류는 (+)극에서

(-)극으로 흐릅니다

일반적으로 건전지와 같이 

전선을 연결했을 때

전압(전위차)을 발생시키는 장치를

전압원이라고 합니다

전압을 만들어내는 원천이라는 의미로

보시면 됩니다

회로에 저항이 존재한다면

다음과 같이 표현할 수 있습니다

위의 예제 문제를

회로도로 표현해서 다시 보면

아래와 같게 됩니다

지금까지

회로에서 대표적인 법칙인

옴의 법칙을 살펴봤습니다

대표적인 법칙이 하나 더있는데

키르히호프의 법칙입니다

* 키르히호프 제1법칙

(키르히호프의 전류법칙)

흘러가던 물이 여러갈래로 나뉘면

나뉘기전의 물의 양과 나뉜 후의 

물의 양의 총합은 

물이 수로관 밖으로

새어 나가버리지 않는 이상

당연히 같을 것입니다

이와 마찬가지로

흘러가던 전류가 갈림길에서 나뉠때

나뉘기전과 나뉜 전류의 총합은

같을 것입니다

좀 더 있어보이게는

임의의 점으로 들어오는 전류의 총합과

나가는 전류의 총합은 같다라고 표현합니다

이를 키르히호프의 제1법칙 또는

키르히호프의 전류법칙이라고 합니다

키르히호프의 제1법칙은

여기까지입니다

키르히호프의 제2법칙을 살펴보기전에

먼저 전압강하라는 개념을 보려고 합니다

* 전압강하

어떤 지점의 전압이 10[V]라는 말은

그 지점에서 전기 입자들이 가진

 전기적인 에너지가 10[V]

라는 뜻으로 보시면 됩니다

10 [V] 짜리 전압원이 연결된 회로에

저항이 연결되어 있다면

처음 (+)극에서 나올 때 

10[V] 만큼의 에너지를

 가지고 있던 전기 입자들은 

저항을 거쳐서 (-)극으로 들어갈때는

모든 에너지를 소모하고

0 [V]인 상태가 되는데요

즉 저항을 지나면서

전압이 떨어지는 현상이 발생하는데

이를 전압강하라고 합니다

다시 전압원을 통과해 10[V] 만큼의

에너지로 회복되어 

지속적으로 전류가 흐르게 됩니다

전압강하는

$V=I R$ 만큼 발생합니다

위의 회로에서 

전류의 크기는 2[A]가 됨을

예제에서 구해봤었죠

5[Ω]짜리 저항에

2[A]의 전류가 흘러서

2×5=10[V]만큼의

전압강하가 발생하는 것입니다

그래서 처음에 10[V]였던 것이

저항을 지나면 10[V]만큼의

전압강하가 발생해

0[V]가 되는 것입니다

키르히호프 제2법칙은

이러한 전압강하에 대한

내용입니다

* 키르히호프 제2법칙

회로에 저항이 2개 이상 있다면

전압강하는 어떻게 될까요?

위 그림과 같이 

2[Ω]과 3[Ω]의 저항이 

나란히 연결되어 있으면

5[Ω]의 효과가 있습니다

( '저항의 합성' 내용으로서

다음 포스팅에서 다룹니다 )

따라서 10[V]의 전압에

5[Ω]의 저항이 있는 것과 동일하게

전체전류는 2[A]가 흐릅니다

각각의 저항에서

전압강하를 구할 수 있는데요

전압강하는 $I×R$로 구할 수 있으므로

2[Ω]짜리 저항에서의 전압강하는

2×2=4[V]

3[Ω]짜리 저항에서의 전압강하는

2×3=6[V]

가 됩니다

잘 보시면

4[V]와 6[V]를 합하면

전체전압인 10[V]가 됩니다

저항이 여러개 있으면

각각의 저항에서 전압강하가

나눠져서 발생하는 것이죠

전압원에서 발생하는 전체전압이

각각의 저항에서의 

전압강하의 합과 동일하다는 것이 

키르히호프의 제2법칙입니다

키르히호프의 전압법칙이라고도

 합니다

에너지 관점에서 위 회로를 

구간별로 살펴보면

다음과 같습니다

전압강하의 합이

전체전압과 같음을

확인할 수 있습니다

10[V] 만큼의 에너지를 얻고 나면

모든 저항을 거쳐가며

10[V]를 모두 소진한다는 것입니다

전압강하를 설명하려다보니

복잡하게 느껴지셨을 수도 있는데

간단히 예제로 설명하면

다음과 같습니다

$R_3$에 걸리는 전압

즉 $R_3$에서의 전압강하 $V_3$를

구하라고 하면

$V_1$과 $V_2$와 $V_3$를 다 더해서

전체전압인 20[V]가 나오면 되므로

$V_3$=8[V]가 되는 것을

쉽게 알 수 있습니다

여기까지가 

키르히호프 법칙의 내용입니다

***

< 요약 >

회로이론 첫 포스팅을

마무리하겠습니다

1장에서 회로해석을 위한

기본기를 다지고

2장부터는 시험문제와

 연관된 내용 위주로

다루겠습니다

다음 포스팅도 1장과

회로에 대한 기본기를

다지는 작업을

이어나가려고 합니다

빠른 시일내에

다음 포스팅으로

찾아뵙겠습니다!

감사합니다