강의자료실 - 소방전기회로 첫번째 강의자료 | 소방행정학과

1. 전하란 무엇인가?

전기는 자연계에서의 기본적인 물리량이고 전하라고도 하며, 자유전자의 이동으로 발생 하는데 원자핵의 구속으로 부터 쉽게 이탈하여 자유로이 움직일 수 있는 전자를 자유전자 라고 한다. 모든 물질은 원자라는 소립자로 구성되어 있으며 원자는 원소의 특징을 결정짓 는 최소단위로서 원자의 중심에는 (+)전하를 띤 양성자와 전기적으로 중성인 중성자로 구 성된 원자핵이 존재하고 원자핵을 중심으로 (-)전하를 띤 전자가 궤도를 그리면서 돌고 있 는데 이것을 나타내면 그림 1과 같다.

원 자

원자핵

양성자

중성자

전 자

<그림 1 . 물질의 구조> 그림 1에서 원자핵은 ‘+'성질을 띠고(엄밀히 말하면 양성자죠^.^), 그 주변을 도는 전자는 ‘-'성질을 띠고 있습니다. 원자핵 중에 최외각에 있는 전자는 원자핵으로 부터 멀리 떨어져 있기 때문에 원자핵의 인력으로 부터 쉽게 벗어나 이리저리 돌아다니는데, 이런 전자를 자 유전자라고 합니다. 여기서 원자핵 하나하나를 순간적으로 살펴보면 전자를 잃어버릴 때는 양성자가 하나 많게 되면서 전체적으로 ‘+'성질을 띠게 되는데 이때가 ‘+'전하가 됩니다. 반 면에 그 전자가 다른 원자핵에 잠시 붙게 되면 그 원자핵은 전자가 1개 더 많게 되면서 원 자핵 자체는 ‘-'성질을 띠게 되는데 이때가 ‘-'전하가 됩니다. 즉, 전하라는 것은 대전에 의해서 물체가 띄고 있는 전기로 전자를 잃어버리거나 얻게 되 어 전체적으로 ‘+' 또는 ‘-'성질을 띠는 물질자체를 의미하며, 전자는 원자핵 주변을 도는 전자자체를 의미하고 특히 전류를 흐르게 해주는 것을 자유전자라고 합니다.

2. 전류란 무엇인가?

전류는 도체내부에서 전자가 이동하는 현상, 즉 전자라고 부르는 음전하 입자의 이동률 로 도체에서 한 단면을 봤을 때 이 단면을 얼마나 통과하는 지를 뜻하는 것으로 기호는 I, 단위는 암페어(Ampere, [A], [1A=1,000mA])로 표시합니다. 이것을 나타내면 그림 2와 같습 니다.

(a) 전류 = 전하의 흐름 (b) 전류방향 = 양성자 방향 (c) 전류방향 = -전자방향 < 그림 2. 전류의 흐름도 > 수도관 속에 흐르는 물의 흐름에도 방향이 있는 것처럼 전류에도 방향이 있다. 전류의 본질을 알지 못했던 시절엔 물이 고수위에서 저수위 즉 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전류도 전지의 높은 곳인 ‘+’극에서 낮은 곳인 ‘-’극으로 이동한다고 생각하 였다. 그 후에 전류의 본질은 전자의 흐름이며 전자는 ‘-’극에서 ‘+’극으로 이동한다는 사실 이 밝혀졌다. 따라서 전류의 방향이 전자의 흐름방향으로 수정되어야 하지만 그때가지 사 용된 오랜 규약관습 때문에 전류는 전자의 흐름과 반대인 ‘+’극에서 ‘-’극으로 이동한다는 것으로 받아들여지고 있다. 결국 전류의 방향과 전자의 방향은 반대가 된다. 이것을 나타내 면 그림 3과 같다. < 그림 3. 전류 방향에 대한 이해도 > 전류의 세기는 물의 흐름으로 표현할 수 있는데 물이 흐를 때 세게 흐르기도 하고 약하 게 흐르기도 하듯이 전류도 세게 흐를 때와 약하게 흐를 때가 있다. 수도관을 따라 흐르는 물의 양은 1초 동안에 얼마만큼의 물이 수도관의 단면을 지나가는지로 나타낸다. 이와 마 찬가지로 전류의 경우도 1초 동안에 얼마만큼의 전하가 도선을 따라 이동하느냐에 따라 전 류의 세기를 정한다. 수도관에서 많은 양의 물이 흐르는 것은 도체에서 많은 양의 전자가

흐르는 것에 비유할 수 있고 수도관에서 물이 적게 흐르는 것은 적은 양의 전자가 흐르는 것에 비유할 수 있는데 이것을 나타내면 그림 4와 같다. < 그림 4 . 물의 흐름과 전류의 세기 비교 >

3. 전압이란 무엇인가?

전압 또는 전위차는 전기 또는 전자 회로에 있는 두 지점 간의 전위의 차이, 즉 전기가 흐르게 하는 원인으로 전류를 흐르게 하기 위해 필요한 전기적인 압력을 뜻하는 것으로 기 호는 V, 단위는 볼트(Volt [V])로 표시합니다. 전압의 세기는 물의 수압차로 표현할 수 있는데 물의 수압차가 클수록 물의 흐름이 빨 라지고, 물의 수압차가 적을수록 물의 흐름이 느려진다. 물을 계속 흐르게 하기 위해서는 펌프를 이용해서 수압차를 계속 유지시켜 주어야 한다. 이와 마찬가지로 전기 또는 전자회 로에서 전자가 도선을 따라 흐르기 위해서도 에너지원이 필요한데 이런 역할을 하는 것이 전지이다. 전지에서 ‘+’극은 전위가 높고 ‘-’극은 전위가 낮아 두 극 사이에 전위차이 발생 하는데 이것을 전압이라고 하며 이것을 나타내면 그림 5와 같다. < 그림 5. 전압 개념도 >

4. 저항이란 무엇인가?

저항이란 말 그대로 전기의 흐름을 방해하는 것으로 전기의 흐름에 '저항(Resist)'한다는 의미에서 나온 용어이다. 저항은 전기회로 안에서 전기의 흐름을 제한하여 회로 안에서의 전류(또는 전압)의 크기를 바꾼다. 전류 또는 전압의 크기를 바꾼다는 말은 저항을 통과한 전기의 흐름에서 전압 또는 전류의 크기가 바뀐다는 것을 의미한다. 저항 자체가 제한하는 것은 전기의 흐름 즉, 전류이지만 그 결과로 저항을 통과하면 전압이 떨어지는 결과를 가 져옵니다. 이때 저항과 전압과 전류의 관계는 가장 기본적인 전기 공식인 V  I×R로 표시 할 수 있으며 저항의 크기 단위는 Ω으로 표시하고 옴(ohm)으로 읽는다. 저항의 크기는 여러 개의 탁구공이 박혀 있는 경사면을 따라 구슬이 굴러 내려가는 경우 로 표현할 수 있는데 구슬은 탁구공과 충돌하여 운동에 방해를 받는데 이와 마찬가지로 전 자들이 도선을 따라 이동할 때 원자들과 충돌하게 되는데, 이와 같은 충돌 때문에 저항이 생기며 이런 저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 이것을 나타내면 그림 6과 같 다. < 그림 6. 저항 개념도와 영향요소 > 물질의 종류에 따라 원자의 배열이 달라 충돌 정도가 다르므로 전기저항이 다른데 이것 을 나타내면 표 1과 같다. 분 류 정의 종류 도 체 전기저항이 작아 전류가 잘 흐르는 물질 금, 은, 구리 등 부도체 전기저항이 커서 전류가 잘 흐르지 않는 물질 나무, 고무, 플라스틱 등 반도체 전기저항이 도체와 부도체의 중간정도인 물질 실리콘, 게르마늄 등 표 1. 물질의 종류와 전기저항