강의자료실 - 소방전기시설I-수업자료(1) | 소방행정학과

(1)

I.전기의 기초

1. 전기와 물질

가. 전기의 역사

전기는 B.C 600 여년 경에 그리스의 철학자 탈레스가 최초로 발견되었으며, 전기 및

전자 관련 분야 개척자들은 [표 1]과 같다.

이 름 활동기간 업 적 단 위 탈 레 스 BC636～546 전기와 자기의 개척자 -길 버 트 AD1544～1603 지구가 자석임을 증명 길버트[Gb] 뉴 턴 1642～1727 운동법칙과 만유인력을 공식화 뉴턴[N] 프 랭 크 린 1706～1790 전하의 보존법칙 발견 -쿨 롱 1736～1806 전기력과 자기력 측정 쿨롱[C] 와 트 1736～1819 증기력의 응용분야 개척 와트[W] 가 우 스 1771～1855 전속에 대한 발산정리 발표 가우스[G] 볼 타 1745～1827 볼타전기 발명 볼트[V] 앙 페 르 1777～1851 솔레노이드 발명 암페어[A] 헨 리 1775～1836 전자유도실험 헨리[H] 옴 1787～1854 옴의법칙 옴[Ω] 패 레 데 이 1791～1867 자기가 전기를 생성함을 입증 패럿[F] 웨 버 1804～1891 지구자기에 대한 선구적인 연구 웨버[Wb] 줄 1818～1889 열이 전류의 곱에 비례함을 입증 줄[J] 맥 스 웰 1831～1879 전자기학의 일반이론을 세움 맥스웰[Mx] 헤 르 츠 1857～1894 라디오전파의 송신, 수신 실험 헤르츠[Hz] 에 디 슨 1847～1931 백열전구 발명 -테 슬 라 1857～1943 유도전동기 발명 테슬라[T] 아 인 슈 타 인 1879～1955 상대성이론으로 맥스웰방정식을 일반화 -표 1. 전기∙전자 관련분야 주요 개척자

나. 전기의 정의

(1) 물리적 해석 : 자연계에서 기본적인 물리량이며, 전자와 양자에 의해 보유되어 있

다. 전하라고도 한다. 정지상태에서는 전계를 수반하며, 위치에너지를 가지고 힘을

미치게 한다. 운동하고 있을때는 전계와 자계를 수반하며, 위치 및 운동에너지를 가

지고 힘을 미치게 된다.

(2) 전기적 해석 : 자유전자 이동으로 발생하며, 빛이나 열이 나기도 하고 고체를 당기

는 힘이 있다.

(2)

다. 물질의 구조

원 자

원자핵

양성자

중성자

전 자

(1) 원자의 구조

전자 원자핵 양성자 양성자 수소 [H] 헬륨[He] 그림 1. 원자의 구조

(2) 자유전자

(가) 원자핵의 구속으로 부터 쉽게 이탈하여 자유로이 움직일수 있는 전자.

(3) 물질의 종류

(가) 도 체 : 전기가 잘 통하는 물질(구리, 알루미늄, 은)

(나) 반도체 : 도체와 절연체의 중간정도로 전기가 통하는 물질(실리콘, 게르마늄)

(다) 절연체 (부도체 또는 유전체) : 전기가 잘 통하지 않는 물질

2. 단위계와 십진 표기

가. MKS 단위계 (SI)

모든 단위의 기본이 되는 길이[m], 질량[kg]. 시간[s]을 각각 Meter, Kilogram,

Second로 나타낸 것으로 국제표준 단위계로 널리 사용.

나. cgs 단위계

모든 단위의 기본이 되는 길이[Cm], 질량[g]. 시간[s]을 각각 Centi-Meter, gram,

Second 로 나타낸 것을 cgs 단위계라 한다

(3)

물리량 MKS 단위계 환산단위 cgs 단위계 길이 m ₁₀2 _Cm 질량 Kg ₁₀3 _g 시간 S 1 S 힘 newton, N ₁₀5 _dyne 에너지 joule, J ₁₀7 _erg

전하 coulomb, C _3×109 _{statcoulomb, esu}

전류 ampere, A _3×109 _{statampere, esu/s}

전위 volt, V 1/300 statvolt 자기장 tesla, T ₁₀4 _gauss 표 2. MKS 단위계와 cgs 단위계

다. 십진표기법

수치를 표준적으로 사용되고 있는 10의 지수로 표현하는 방법은 [표 3]과 같다.

명 칭 기 호 크 기 명 칭 기 호 크 기 아토(atto) a ₁₀- 18 펨토(femto) f ₁₀- 15 테라(tera) T ₁₀12 _피코(pico) _p ₁₀- 12 기가(giga) G ₁₀9 _나노(nano) _n ₁₀- 9 메가(mega) M ₁₀6 _마이크로 _μ ₁₀- 6 킬로(kilo) k ₁₀3 _{밀리(milli)} _m ₁₀- 3 헥토(hecto) h ₁₀2 _{센티(centi)} _c ₁₀- 2 데카(deka) da ₁₀1 _데시(deci) _d ₁₀- 1 표 3. 표준 10진 접두어

(4)

3. 전하, 전류, 전압, 전력

가. 전 하

(1) 대 전: 어떤 물질이 양(+)전기나 음(-)전기를 띠는 현상.

(2) 대전체 : 양(+)전기나 음(-)전기를 띠고 있는 물체.

(3) 전 하 : 대전에 의해서 물체가 띠고 있는 전기.

기호는 [Q], [q], 단위는 쿨롱 (coulomb, [C])

(4) 전하량 : 물질이 가지고 있는 전기의 양

(5) 전하량과 질량

구 분 전하량 질량 양 성 자 _{+1.60219× 10}- 19_[C] _1.67261×10- 27_[kg] 중 성 자 0 [C] _1.67491×10- 27_[kg] 전 자 _{-1.60219× 10}- 19_[C] _9.10956×10- 31_[kg] 표 4. 양성자, 중성자, 전자의 성질

[표 4]를 요약하면 다음과 같다.

(가) 원자핵은 중성자 및 양성자와 같은 소립자로 구성되어 있다.

(나) 양성자는 전자의 음전하와 동일한 양의 양전하를 가지고 있으며, 전자질량의 약

1840배가 된다.

(다) 중성자는 양성자와 같은 질량을 갖지만 전하는 가지고 있지 않다

나. 전 류

(1) 도체 내부에서 전자가 이동하는 현상으로 기호는 I, 단위는 [A]

(2) 어떤 도체의 단위면적을 t[s] 동안에 Q[C]의 전하가 이동했다면 전류의 크기 I[A]

는 다음과 같이 표시된다.

I = Q_T

,

i = dq_dt

[A]

여기서, I : 전류[A], T : 시간[S], Q : 전하[C]

다. 전 압

(1) 회로내의 전류가 흐르기 위해서 필요한 전기적인 압력. 기호는 V, 단위는 볼트(Volt, [V])

(2) 전 위 : 전기통로 임의의 점에서 전압의 값. 기호는 V, 단위는 볼트(Volt, [V])

(3) 기전력 : 전압을 연속적으로 만들어 주는 힘, 기호는 E, 단위는 볼트(Volt, [V])

(5)

※ 전압이란 용어는 기전력, 전위와 다 같은 것으로 사용되며, 전압 0[V]란 것은 도체내에 전자 가 이동하지 않는 상태를 말하며, 또 전자가 이동하지 않기 때문에 소요되는 일이 없다. 우 리나라 전기법규상에 전압의 종류는 다음 [표 5]와 같다. 구 분 직류 교류 저 압 750 [V]이하 600 [V]이하 고 압 750 [V]를 넘고 7000 [V]이하 600 [V]를 넘고 7000 [V]이하 특 별 고 압 7000 [V]초과 7000 [V]초과 표 5 전압의 종류

※ 직 류 : 전기량이 시간이 지남에 따라 크기와 방향이 일정하게 흐르는 것

(Direct Current : DC) 라 부르며, 이와 같은 전원은 건전지, 전기화학 분야에 사용.

※ 교 류 : 전기량이 시간이 지남에 따라 크기와 방향이 주기적으로 변화하는 것

(Alternating Current : AC) 라 부르며, 이와 같은 전원은 가정용에서 산업용까지 널

리 사용

라. 전 력

(1) 1초 동안에 전기가 하는 일의 양. 기호는 P, 단위는 와트(Watt, [W])

(2) 전력 P의 식 (직류의 경우)

전력은 전압과 전류의 곱으로 다음과 같이 나타낸다.

P

=

V

․

I

= (

I

․

R

)․

I

=

I

2

_․

_R

_[W]







․







_․





  



_



[W]

여기서, P : 전력[W], V : 전압[V], I : 전류[A], R : 저항[Ω]

마. 전력량

(1) 일정한 시간동안 전기가 하는 일의 양. 기호는 W, 단위는 줄(joule, [J])

(2) 전력량 W의 식

R [Ω]의 저항이 I [A]의 전류가 t [S] 동안 흐를때의 전력량 W는 다음과 같다.

W

=

P

․

T

=

V

․

I

․

T

=

I

2

_․

_R

_․

_T

₌

V

2

R

×

T

[J]

여기서, W : 전력량[J], V : 전압[V], I : 전류[A], R : 저항[Ω], T : 시간[S]

(6)

i

+

-V

그림 1. 회로소자

4. 수동 부호 규약

전류의 화살표가 전압의 “+” 표시된 단자에서 소자로 향할 때 수동 부호 규약을 만족한다. 이때, 소자는 전력 p = vi를 흡수 한다. 소자에 전력 p = vi를 공급 한다. 만약, 전력값이 “-”가 되면 소자는 전력 p = vi를 생성 한다. 전류의 화살표가 소자에서 전압의 “+” 표시된 단자로 향한다. ex) 3A 2v + --2v + --3A + --5A 4v       ×           ×           ×     

5. 회로 소자

가. 개 요

전기․전자회로는 수많은 소자들이 서로 연결되어 여러 가지 전기 및 전자현상을 나

타낸다.

이들 소자는 크게 나누어 능동소자와 수동소자로 나눌수 있으며, 능동소자(Active

Element)는 전기회로에 에너지를 공급해주는 기능을 하며, 전원(정전압원, 정전류원)

을 포함하여 다이오드, 트랜지스터, IC 등의 반도체 제품들이 해당된다. 수동소자

(Passive Element)는 외부에서 에너지를 공급받아 그기능을 수행하고 저항, 인덕턴스

(코일), 캐패시턴스(콘덴서)등을 들수 있으며, 이들을 설명하면 다음과 같다.

나. 수동소자

(7)

구 분 저 항 (R) 인 덕 터 (L) 콘 덴 서 (C) 원 리 ∙ 전류는 도선을 통해 흐를 때 기계적 반발력과 유사한 저항 력을 받는데 이것은 전자가 원 자 사이를 이동하면서 원자와 상호충돌에 의한 것으로 전기 에너지를 열에너지로 변환 된 다. 이와같이 전류의 흐름을 방해하는 요소를 저항이라 한 다. ∙ 아래 그림과 같이 코일에 전류 를 흘리면 자속이 생기고 모 든 자속이 코일과 쇄교(Link) 하면 총자속 Φ는 코일의 권 수 n 과 자속 ψ의 곱으로 나 타낸다. 여기서 L을 인덕턴스 라 한다. Φ=nψ=Li(wb․T) φ N i ∙ 아래 그림과 같이 양극판 사이 에 전위차가 생기면 전위가 높 은쪽의 평판에는 정전하가 낮 은쪽의 평판에는 같은양의 음 전하가 축적된다. 이때 축적되 는 전하량 q 는 q =CV [C]. 여기서 C를 캐패시턴스 또는 정전용량 이라 한다. -q +q d ε(매질) V 개 념 ∙ 전원으로부터 공급받은 에너지 를 축적하지 않고 모두 열로 소비하는 소자. ∙ 두단자에 가해진 전기에너지를 자기에너지로 변환하는 소자를 유도소자 또는 인덕턴스 소자 라 한다. ∙ 두단자에 가해진 전기에너지를 정전에너지로 축적하는 소자를 용량소자 또는 캐패시턴스 소 자라 한다. 기 호 R L C

단 위 오옴 (Ohm : [Ω]) 헨리 (Henry : [H]) 페럿 (farad : [F])

구 조 길이 ℓ [M] 단면적 A [m2_] R = ρ l_{A =} _σ_{A =}l _kAl ∙ ρ[Ω/m] 고유저항, 저항율 ∙ σ = k [℧/m] 도전율 φ [Wb] ∙ 쇄교자속수 : Nφ = LI ∙ 인덕 턴스 : L = N_IΦ + -d ε ∙ 전하량 : q = CV ∙ 정전용량 : C = ε_dA 공 식 ∙ 오옴의 법칙 ∙ V₌IR_, I₌ V R, R= ρAl ∙ G _{= 1} R = Vi ∙패러데이의 법칙 ∙ _{    }    ․_ _   ∙ _i_{= 1} L ⌠⌡○v dt ∙ v_{= 1} C ⌠⌡○i dt (V) ∙ _{i = dQ} dt =d(Cv)dt =C․ dVdt [A] V, I 관계 ∙ 소자 양단에 걸리는 전압이 소 자에 흐르는 전류에 선형적으 로 비례 ∙ 소자 양단에 걸리는 전압이 소 자에 흐르는 전류의 시간 미분 에 비례 ∙ 소자 양단에 걸리는 전압이 소 자에 흐르는 전류의 시간 적분 에 비례 단 위 관 계 ∙ 1[ ㏁] = 103_{[㏀] = 10}6_[Ω] ∙ _{1[ μΩ] = 10}- 3_{[mΩ]= 10}- 6_[Ω] ∙ _1[mH_{] = 10}- 3_[H_] ∙ _{1[㎌] = 10}- 6_[F_] ∙ _{1[㎊] = 10}- 6_{[㎌]= 10}- 12_[F_] 예 제 ∙ 10[μΩ] 저항에 1000[㎷]의 전압을 인가하면 저항에 흐르 는 전류는 몇 [㎄]인가？ ∙ 30[mH]인 코일에 흐르는 전 류를 20[mA/ms]의 비율로 증 가시킬 때 코일양단에 나타나 는 전압의 크기[V]는？ ∙ 어떤코일에 흐르는 전류가 0.01 초 사이에 0[A]로부터 10[A] 로 변할 때 20[V]의 기전력이 발생했다. 이코일의 자기인덕

(8)

다. 능동소자

구 분 독 립 전 원 종 속 전 원 독 립 전 압 원 (정 전 압 원) 독 립 전 류 원 (정 전 류 원) 정 의 ∙ 부하의 상태에 관계없이 부하양단 에 일정한 전압을 발생시키는 전원을 정전압원 (Voltage Source)이라 한다. ∙ 부하에 관계없이 일정한 전류를 발생하는 전원을 정전류원

(Constant Current Source)이라 한다. Ki_x (a) gv_x (b) + -Kv_x (c) + -ri_x (d) (a) 전류- 제어 전류원 (b) 전압-제어 전류원 (c) 전압-제어 전압원 (d) 전류-제어 전압원 기 호 E E e e I i 특 성 ∙ 정전압원은 어떤부하를 접속시켜 도 내부저항에 의한 전압강하는 발생하지 않아야 하기 때문에 정전압원을 단락시키면 전류는 무한대가 된다. ∙ 정전류원은 내부저항이 무한대 이 므로 정전류원을 개방하면 양단 전압은 무한대가 된다.