병렬회로 전류계산 - byeonglyeolhoelo jeonlyugyesan

아들이 어려워하는 전기회로 관련 기본개념이해를 위해 자료를 정리해 보았다.

■ 전류 [electric current, 電流]

전류(電流)라는 단어에서 'current, 流'라는 단어는 '흐르다'라는 뜻을 가지고 있습니다. 그렇다면 전류란 무언가가 '흐른다'는 말인데요, 과연 무엇이 흐르는 걸까요?

전류의 정의를 교과서에서 찾아보면 '전하의 흐름'이라고 설명되어 있습니다. 전하는 전기적 성질을 의미하니까, 전류란 '전기적 성질이 흐르는 것'이라고 생각할 수 있어요. 그런데 성질이 흐른다니, 과연 이게 무슨 말일까요?

원자를 이루는 양성자와 전자 중에서 실제로 움직이는 건 가벼운 '전자'입니다. 특히 양성자가 끌어당기는 힘을 벗어날 수 있는 전자를 '자유전자'라고 하는데요, (-)전하를 가진 자유전자가 한쪽 방향으로 이동할 때, 흐르는 것처럼 움직일 때, 이것을 '전류'라고 하는 것입니다.

그렇다면 (-)전하를 가진 전자는 어떤 힘으로 이동을 하는 걸까요? 전류가 흐르는 이유를 알아봐야겠지요?

■ 전위 [electric potential, 電位]

전류를 흐를 수 있게 하는 힘에 대해서 바로 설명하기 전에 '전위'에 대해서 이해하고 넘어가야 합니다.

전위(電位)의 한자 뜻은 '전기의 위치'라는 뜻입니다. 정확하게 말하면 '전기의 위치에너지'인데요, 위치에너지(potential energy)가 무엇인지 2학년 과학 과정에서 배웠지요? 폭포 사진으로 간단하게 이해해봅시다.

물은 흐를 수 있는 통로가 있다면 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 중력 때문이죠. 높은 곳에 있는 물이 위치에너지가 크고, 낮은 곳에 있는 물은 위치에너지가 작겠죠. 물은 위치에너지가 큰 곳에서 낮은 곳으로 흐릅니다. 하지만 같은 높이에 있는 물은 흐르지 않겠죠.

정리하면 '위치에너지 차이가 있어야 물이 흐른다'라고 말할 수 있습니다.

전기도 이와 마찬가지라고 생각하면 됩니다. 물론 우리가 생각하는 높낮이 차이는 아니지만, 전기적인 에너지 차이, 전위(전기적 위치에너지)가 차이가 있어야만 전기가 흐릅니다. 이때, 전위의 높고 낮은 차이를 '전위차(potential difference)'라고 하죠.

그렇다면 이런 전위의 차이는 무엇이 만들어내는 것일까요?

바로 우리가 사용하는 건전지나 배터리입니다. 건전지와 배터리가 전위차를 만들어내고, 그 힘으로 전기가 흐르는 거죠. 결국 전기를 흐르게 하기 위해서는 건전지나 배터리같은 전원이 필요한 겁니다.

■ 전압 [voltage, 電壓]

앞서 말한 전위차로 생긴 전기적 압력을 '전압'이라고 합니다. 전류를 흐르게 하는 힘이 바로 '전압'인 것이죠. 결국 전압을 만드는 것이 바로 건전지와 배터리라고 할 수 있습니다.

전압의 단위는 우리가 잘 아는 것처럼 [V, 볼트]를 사용합니다.

전압의 단위는 V(볼트, volt)를 사용합니다. 이탈리아의 물리학자 알렉산드로 볼타[Alessandro Volta, 1745 ~ 1827]의 이름에서 가져온 단위죠.

전압의 기호는 알파벳 Ⅴ를 기울여서 사용합니다. 전압(Voltage)의 첫글자를 대문자로 표시한 것입니다.

★ 물의 흐름으로 이해하기

펌프로 물을 끌어올려 물레방아를 돌리는 구조를 생각해봅시다.

펌프가 물을 끌어올려서 물의 높이 차이를 만들고, 이 압력으로 물이 흘러내려와서 물레방아를 돌리게 됩니다. 이 구조를 전기 회로에 비유해볼게요.

전지가 전기적 에너지 차이(전위차)를 만들어내고, 그 압력(전압)으로 전류가 흐르게 되어 전구에 불이 켜지게 됩니다.

펌프 = 전지

밸브 = 스위치

물레방아 = 전구

물의 높이 차이 = 전위차

수압 = 전압

물 흐름 = 전류

이렇게 비유할 수 있겠네요.

건전지와 배터리가 전위차를 만들어내고 전압(전기적 압력)이 생기면 이 압력으로 (-)전하를 띤 전자가 이동해서 전류가 흐르게 되는 것입니다.

■ 전류의 방향

전자의 존재가 발견되기 전 아주 옛날 과학자들은 (+)극 근처가 전위가 높다고 생각하고, (-)극 근처는 전위가 낮다고 생각했습니다. 이 생각에 따라서 '전류란 (+) → (-) 방향으로 흐른다'고 정했죠.

하지만 전자의 존재가 밝혀지고 실제로 움직이는 전자는 전기적 성질에 의해 (-) → (+) 방향으로 흐른다는 사실도 알게되었습니다.

어떤 이유에서인지는 모르지만, 이러한 사실이 밝혀졌음에도 과학자들끼리 기존에 생각했던 전류 방향을 바꾸지 않고 그대로 사용하기로 했답니다

- 전류의 방향: (+)극 → (-)극

- 전자의 방향: (-)극 → (+)극

■ 전류의 세기

전류의 세기는 1초 동안에 전선(도선)의 단면을 통과하는 전하의 양으로 나타냅니다. 뭐, 사실 이동하는 건 전자니까 전자의 개수죠.

전류의 단위는 [A, 암페어]를 씁니다.

1A는 1초 동안 도선의 한 단면을 무려 6.25 X 1018개의 전자가 통과할 때 전류의 세기입니다. (정말, 정말, 많은 수의 전자죠)

전류의 단위는 A(암페어, ampere)를 사용합니다. 이는 프랑스의 물리학자인 앙드레마리 앙페르 [André-Marie Ampère, 1775 ~ 1836]의 이름에서 따온 단위입니다.

전류의 기호는 알파벳 Ⅰ를 기울여서 사용합니다. 전류의 세기(Intensity)의 첫글자를 따온 것입니다.

■ 저항 [resistance]

전항의 단위는 Ω(옴, Ohm)을 사용합니다. 독일의 물리학자 게오르크 시몬 옴[Georg Simon Ohm, 1789 ~ 1854]의 이름에서 따온 단위입니다.

저항의 기호는 알파벳 R를 기울여서 사용합니다. 저항(Resistance)의 첫글자를 대문자로 표시한 것입니다.

- 전압: 전류를 흐르게 하는 능력 / 단위 [V, 볼트]

- 전류: 전하의 흐름 / 단위 [A, 암페어]

- 저항: 전류의 흐름을 방해하는 정도 / 단위 [Ω, 옴]

1. 기본원칙

가. 전자는 전지에서 전압 이라는 에너지를 받아 출발한 후 저항이라는 곳에서 에너지를 다 쓰고 돌아온다.

나. 전자가 갈 수 있는 길이 하나라면 전류의 세기는 어디든지 동일하다.

(전하량 보존의 법칙)

다. 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항에 반비례한다.

(옴의 법칙)

전압은 전류를 흐르게 하는 힘이기 때문에 전류의 세기(Ⅰ)는 전압의 크기(Ⅴ)에 비례한다고 생각할 수 있습니다.

또한 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도기 때문에 전류의 세기(Ⅰ)는 저항의 크기(R)에 반비례한다고 생각할 수 있죠.

옴의 법칙

옴의 법칙 변형

2. 전하량의 보존 - 전류

전하량 보존법칙이란 전기회로에 전류가 흐를 때 '전하는 새로 생기거나 없어지지 않고 항상 처음의 전하량을 유지한다'

즉, 전기회에서 흐르는 전하의 흐름, 즉 전체 전류는 항상 변하지 않고 일정하다.

가. 직렬 연결

각 저항에서 측정되는 전류의 크기와 전체 전류의 크기가 같습니다. 전기 도선을 물이 흐르는 도랑이라고 생각하면 이해하기 쉽습니다. 전체 전류의 양이 3A라면 각 저항을 지나는 전류도 3A가 되는 것입니다.

나. 병렬 연결

도선이 나누어지더라도 나누어진 도선의 전류를 합치면 전체 전류의 양과 같습니다. 전체 전류가 3A이라면 나누어진 도선 한 쪽으로 2A흐르고, 나머지 한쪽으로 1A가 흘러서 다시 합쳐지는 전체 전류는 3A로 변하지 않습니다.

3. 전지의 연결 - 전압

가. 직렬 연결

전지를 직렬 연결하게 되면 전체 전압은 각 전지의 전압의 합과 같습니다.

물통을 직렬로 연결한다고 생각하면 이해가 쉽습니다. 수압이 2배가 되는 것처럼, 같은 전지를 직렬 연결하면 전체 전압은 2배가 됩니다.

나. 병렬 연결

전지를 여러개 병렬 연결하더라도 전체 전압은 하나의 전압과 같습니다.

물통을 병렬 연결하면 수압은 변하지 않습니다. 비슷한 원리로 같은 전지를 병렬 연결하면 전체 전압도 변하지 않습니다.

다. 전지의 혼합 연결

전지가 직렬과 병렬로 혼합 연결되어 있을 때는 병렬 연결된 전지를 하나로 생각하고 전체 전압을 구합니다. 쉬운 회로도를 예로 들어보겠습니다.

4. 저항의 직렬 연결 vs 병렬 연결

저항의 크기는 길이에 비례하고, 단면적에 반비례합니다.

이 성질을 이용해서 직렬 연결과 병렬 연결에서 전체 저항의 크기를 구해봅시다.

가. 직렬 연결

저항을 직렬 연결하면 저항의 길이가 길어진 것과 같습니다. 그냥 더하면 됩니다.

나. 병렬 연결

저항을 병렬 연결하면 단면적이 넓어지는 효과가 생깁니다.

전체 저항의 역수는 각 저항의 역수 합과 같습니다.

예를 들어 3Ω, 6Ω 크기의 저항을 병렬연결하면 전체 저항이 2Ω으로 작아집니다.

계산식이 조금 복잡해 보이지만 조금만 연습하시면 쉽게 계산하실 수 있을거에요 ^^

직렬, 병렬 연결에 따라 전류, 전압, 저항의 계산 방법이 모두 다릅니다. 각각의 성질과 특징을 이해하면 쉽게 이해하실 수 있을거에요. 전류, 전압, 저항의 계산 방법을 알고 다음 시간에 배울 '옴의 법칙'을 공부하면 전기 단원에서 전기 회로 계산 문제를 쉽게 정복하실 수 있답니다. 이번 학습 자료 내용을 꼭 여러번 반복해서 공부해주세요 ^^

5. 아래 쌤 유튜브 여러번 보시게...

과학친구 재준쌤

https://www.youtube.com/watch?v=XSIYZbL8sls&t=23s