전기기사 취득에 필요한 그 중에서도 회로이론 관련 기초 개념을 스스로 공부하여 정리한 연재를 할 예정입니다. 독학을 위한 정리이기도하고, 기록으로서 남기려는 것도 있습니다.
전기, 전자공학에 대한 공부의 중요성은 여러번 강조해도 지나침이 없습니다. 만약 여러분이 요즘 유행하는 AI의 핵심 하드웨어라할 수 있는 반도체에 대한 기술적 이해를 하고자 한다면 전기, 전자에 대한 기초 베이스를 쌓는것도 좋을 것입니다.
물론 배보다 배꼽이 더 큰거 아니냐라는 생각이 더 클 수 있는데요. 배워서 남주는거 아니죠. 그리고 공부한 것을 이렇게 글로서 남기면 생각을 정리하는데 큰 도움이 될겁니다.
목차
1. 회로이론 친해지기 : 전기는 흐른다는 표현이 맞을까?
전기를 “흐른다”라고 표현하고 물이나 유체 흐름에 비유하는 이유는 직관적 이해를 돕기 위해서입니다.
- 전압(V): 물의 압력 (높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 만드는 힘)
- 전류(I): 물이 흐르는 양 (단위 시간당 흐르는 물의 양)
- 저항(R): 물의 흐름을 방해하는 좁은 파이프나 장애물
그러나 전기 현상을 정확히 이해하려면 이런 직관적 비유를 뛰어넘어야 됩니다.
전류는 전하(주로 전자)의 흐름입니다. 물리적으로는 도체(예: 금속) 안에서 자유 전자가 이동하면서 전류를 형성합니다. 전류의 방향은 약속에 따라 양전하가 이동하는 방향으로 정의되지만, 실제로는 음전하인 전자가 반대 방향으로 이동합니다.
지금도 정말 이해가 안되는 부문인데, 대체 왜 전자는 음에서 양으로 향하는데, 방향을 보통 양에서 음으로 잡은 것일까요?
이건 역사를 알아야 됩니다. 전기라는 현상이 처음 연구한 18세기에는 전자의 개념은 아직 몰랐습니다.
전류를 연구하던 벤저민 프랭클린 같은 과학자들은 전하가 양에서 음으로 이동한다고 가정했습니다.
이 시점에서는 음전하(전자)가 실제로 움직인다는 사실이 전혀 알려지지 않았던 거죠. 후에 전자가 발견되었을 때, 음전하가 움직이는 것을 알게 되었지만, 기존 전류 방향 정의를 바꾸지 않았습니다.이미 학계와 산업에서 광범위하게 사용되고 있었기 때문이죠.
다시 돌아와서, 전류, 전자, 전하를 이해할 때 더 적합한 비유가 있습니다. 뉴턴의 진자 인데요.
실제로 전자는 매우 느리게 움직입니다(평균 이동 속도는 mm/s 정도). 그러나 전기 에너지는 회로를 통해 즉시 전달될 수 있죠(거의 빛의 속도).
백문이 불여일견이니 위 쇼츠 영상을 봐주세요. 구슬을 하나의 전자(전하)라고 생각한다면, 어떻게 그렇게 전류가 빠르게 흐를수 있는지 이해가 진짜 직관적으로 될겁니다.
2. 직류와 교류는 대체 왜 나누는걸까?
앞서 영상은 사실 교류가 어떻게 흐르는지에 대한 직관적인 이해를 돕는 것입니다.
직류는 그냥 수도꼭지를 생각하면 되죠. 물 틀면 나오는거 말이죠.
그런데 교류는? 파이프라인 속의 유체로 생각하는 경우 분명히 이해가 안될겁니다.
아무튼, 직류와 교류는 무슨 차이일까요? 도대체 왜 나누는 걸까요? 대체 왜 우리집 아울렛은 모두 ‘교류’일까요.
이런 얘기를 많이 들었을겁니다. 전기를 멀리 보낼 때는 에너지 손실을 최소화하는 것이 중요한합니다. 교류는 전압을 쉽게 높이거나 낮출 수 있어서 송전 과정에서 효율적입니다. 반면 직류는 이런 전압 조절이 어렵기 때문에 대규모 전기 공급에는 적합하지 않죠.
이건 결과가 그런 것이고, 본질적인 설명은 아닙니다. 교류를 배우는 순간 위상(phase)이라는 용어를 배우게 됩니다. 아 이거 정말 골때리는 용어입니다.
이를 이해하려면 교류는 전류의 세기가 계속해서 변함을 알아야 되는데요. 보통 사인파로 표현합니다. y = sin x 그래프는 대충 알죠?
위상(Phase)이 있다: 교류는 시간적으로 반복적인 주기성을 가지므로, 전압이나 전류의 위치(시간 축에서의 상태)를 비교할 때 위상을 사용합니다.
우리 가정에서 사용하는가정용 220V 전기의 경우 주파수는 60Hz, 즉 초당 60번 진동하며, 위상 차를 통해 전압과 전류의 관계를 설명할수 있습니다.
그렇다면 질문을 남기며 마치겠습니다.
“직류의 위상은 무엇일까요?”
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