[전기전자 기초 다지기#2] 전압과 전류

전압

 

아파트를 상상해보자. 1층에서 10층까지 중력을 거슬러 올라가기 위해서 필요한 에너지를 10이라고 해보자. 1층에서 3층까지 올라가기 위해 필요한 에너지를 3이라고 한다면 3층에서 10층까지 올라가기 위해 필요한 에너지는 10 - 3으로 7이 된다.

또 중력을 거슬러 높은 층으로 올라가기 위해서는 엘리베이터를 타던, 내 몸에 있는 에너지를 쓰는 등 에너지를 사용해야 한다. 반면 높은 층에서 낮은 층으로 내려가기 위해서는 중력의 방향을 따라가면 되므로 창문 밖으로 뛰어 내리기만 하면 된다. (진짜 따라하는 바보는 없길 바란다.)

 

위와 유사하게 전압도 결국은 에너지의 차이를 의미한다.

 

지구가 우리를 당기고 있는 것과는 약간의 차이가 있지만 다음 그림에서 전하 $+Q$에 의해 발생한 전기장 영역 내에 거리가 다른 세 개의 점이 있다.  +1C의 전하가 있을 때, 점 A는 $+Q$로부터 힘을 받지 않는 거리라고 가정하자.

그렇다면 A에서의 전위(전기적 위치에너지)는 0이 된다.

 

점 A에서 점 B까지 +1C의 전하를 옮기기 위해 5만큼의 에너지가 필요하다면 점 B에서의 전위 $V_B=$5[V]가 된다.

 

점 A에서 점 C까지 같은 전하를 옮기기 위해 10만큼의 에너지가 필요하다면 점 C에서의 전위 $V_C=$ 10[V]가 된다.

 

따라서 점 B와 점 C의 전압(전기적 위치에너지 차이)은 5[V]가 된다.

 

아파트에서 높은 곳을 향해 올라가기 위해선 중력을 거슬러 올라가야 하는 것과 같이,

$+Q$ 전하와 +1C 사이엔 척력이 발생하므로 가까운 쪽이 더 높은 전위를 갖는다.

만약 반대로 -1C의 전하가 존재한다면 보다 먼 쪽이 높은 전위를 갖게 된다는 점을 기억하자.

 

정리하면 전압은 전기장 영역 안에서 전하를 옮기기 위해 필요한 에너지의 차이를 의미하며 전기력의 방향과 반대인 지점이 더 높은 전위를 의미하며 단위는 볼트[V]를 사용한다.

 

전류

전류는 전하의 움직임으로 인해 발생한다. 즉, 전자가 어떤 힘에 의해 움직였다면 전류가 흐른다고 말할 수 있다.

 

가로로 누워있는 원통의 절반에 구슬이 채워져 있다고 생각해보자.

가로로 누워있는 원통을 세로로 세운다면 구슬은 아래로 쏟아져 내릴 것이다. 구슬이 아래로 쏟아져내리는 건 중력이 구슬을 아래로 잡아 당겼기 때문이다.

그렇다면 전기장이 아래로 향하고 있고 구슬 대신 전하가 존재한다면?

구슬과 같이 원통에 담긴 전하들은 아래로 쏟아져 내린다. 중력이 구슬을 잡아 당겼듯, 전기력이 전하들을 잡아 당긴다. 

전하들이 아래로 쏟아져 내릴 때, 전류가 흐른다. 즉, 전류는 전하들이 움직이면 발생한다.

전류는 전하의 움직임으로 발생하고 따라서 그 크기는 단위 시간당 전하들이 얼마나 많이 움직이는가로 나타난다.

마지막으로 전류의 방향은 전위이 높은 곳에서 전압이 낮은 곳으로 향한다.

 

정리하면 전류는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며 그 크기는 단위 시간당 이동하는 전하량으로 나타내며 그 단위는 암페어[A]를 사용한다.

 

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