전압이란? 옴의 법칙이란? 전압 분배 법칙이란? 키르히호프 법칙이란? 키르히호프 제1법칙 키르히호프 제2법칙 분압이란? 전압 저항 전류 [전기전자 튜토리얼]

안녕하세요 전압에 대해 알아보고 전압과 관련된 법칙과 전압을 낮추어 사용하는 방법도 알아보겠습니다.



 

전압이 뭐지?



흔히 전기 전자나 과학시간에 무조건 들어보는 전압에 대해 자세히 알고 계신가요?


전압의 정의는 전기 또는 전자 회로에 있는 두 지점 간 전위의 차이를 뜻하며, 전기가 흐르게 하는 원인입니다.


이를 전위차 혹은 기전력 이라고 부르며 단위는 볼트 V 를 사용합니다.


쉽게 설명하자면,



 

 

 


물탱크에 이 한쪽에는 많이 다른 쪽 에는 적게 있습니다.


이를 가만히 둔다면 한쪽의 이 다른 쪽으로 이동하게 됩니다.


그리고 한쪽과 다른 쪽의 높이 차이를 수위차라고 합니다.


만약 한쪽이 더 높거나 다른쪽이 더 낮으면 수위차는 증가하게 되고 흐르는 물의 양이 많아집니다.



이 당연한 말을 전기 전자의 말로 해석해볼까요?


물탱크 = 전기 회로물 = 전하수위차 = 전위차 한쪽 = + , 다른 쪽 = -로 대입해보세요. ( 전하의 흐름 = 전류 )


전하는 전하가 많은 쪽에서 전하가 적은 쪽으로 흐르며


 전하의 높이 즉 전위의 차이를 전압이라고 합니다.


한쪽 단에 100V를 넣는다 해도 다른 쪽이 90V 면 전위차가 10V의 차이가 나므로 전압이 10V 이게 됩니다.


흔히 전기 회로에서는 접지(-) 의 전위를 0V로 놓습니다.






저항으로 전압을 구할 수있다고?



전류와 저항, 전압은 서로간에 밀접한 관계가 있습니다 이를 정리한 법칙이 있는데 배워보도록 하겠습니다.


저항의 단위 는 옴 (Ω)으로 옴의 법칙을 발견한    '게오르그 옴' 의 이름을 따서 만들었습니다.

     


옴의 법칙 에 의하면 두 지점 사이의 도체에 전위차가 존재 할 때


도체가 가진 저항의 크기  전류  반비례 의 관계를 갖는다는 법칙입니다.


이를 쉽게 설명하자면, 


 


 


물탱크에서 이 으로 흘러나옵니다.


그 과정에 장애물이 물의 흐름을 방해해서 이 지나갈 통로를 좁힙니다.


이때 수압이 을 밀어내는 힘은 같은데 장애물이 커지면서 통로가 좁아지면 흐르는 물의 양이 줄어들게 됩니다.



이 당연한 말을 전기 전자적으로 표현하자면,


물 = 전하수압 = 전압물탱크 = +땅 = -장애물 = 저항 으로 대입해봅시다. (전하의 흐름 = 전류)  



같은 전압일 때 저항  증가 하면 전류  감소 하고 저항  감소 하면 전류 가 증가 하게 됩니다.



이를 수학적으로 표현하면    ( I = 전류, V = 전압, R = 저항 )입니다.


우리는 이번에 전압에 대해 공부할 것이므로 계산하기 쉽게 의 형태로 변형해줍니다.



위의 법칙을 이용하여 예제를 풀어볼까요?

 


 전류가 1A고 저항이 220Ω이 있습니다. 그럼 이 회로의 전압은 몇볼트(v)일까요?




 


앞선 공식에 의하면 전압 = 전류 X 저항입니다


그리고, 예제의 전류는 1A 이며 저항은 220Ω입니다.


이를 식에 대입하면,

그럼   이며


정답은 220V 입니다.


해당 회로에선 전압이 220V이며 1A의 전류가 흐르고, 220Ω의 저항이 달려있습니다.



 

내가 원하는 전압을 어떻게 사용하지? 



우선 전압 분배를 공부하기 전 알아야 할 법칙이 있습니다.


 '구스타프 키르히호프'가 발견한 키르히호프의 법칙입니다.


키르히호프의 법칙은 전류에 대한 제1법칙 전압에 대한 제2법칙으로 나뉩니다.


저희가 사용할 것은 2법칙이지만 1법칙과 밀접한 관계가 있으므로 같이 공부하고 넘어가도록 하겠습니다!




제1법칙  회로 속 한 갈림길에서 들어온 전류의 합과 나가는 전류의 합은 같다.라는 내용이며


전류 규칙 혼은 분기점 법칙이라고도 합니다.


이를 쉽게 설명하면,


  


 

 

 

 

 

A에서 D쪽으로 이 흘러갑니다.


하지만 흐르는 물의 통로에 B 와 C로 나뉘는 갈림길이 있습니다.


이 갈림길로 들어갈 때 흐르는 물의 양이 B 와 C의 입구의 크기에 따라 나뉘게 됩니다.


그렇지만 결국 D라는 곳에서 만나 A에서 들어왔던 흐르는 물의 양 그대로 D로 빠져나갑니다.




이번에도 결국 당연한 소리죠?


이를 전기 전자적으로 바꾸어보겠습니다.


물 = 전하, 흐르는 물 = 전류, 입구의 크기 = 사용량A = + B,C= 전자제품, D= - 를 대입해봅니다.


이를 수식으로 표현하면,   이 됩니다. (i k= 들어오는 전류)

즉, 입력 전류와 출력 전류의 차는 0이라는 뜻입니다.


하지만 위의 법칙에는 조건이 있습니다.


항상 시간에 따라 전류가 변하지 않는 정상 전류이어야 하며 한 지점에서 전하가 쌓이면 안 됩니다.


조건이 만족되면 유입부로부터 회로에 흐르는 전류는 결국 유출부서 모두 만나게 된다 는 법칙입니다.

단, 전하를 축적하는 축전기가 구성되어 있는 회로에서는 예외가 됩니다. 





제 2법칙 


로 속 닫힌 경로에서, 전원의 기전력의 합은 회로 소자의 전압 강하의 합과 같다.


라는 내용입니다.


이 법칙은 고리 규칙이라고도 하며 전압 분배법칙에 응용됩니다.


이를 쉽게 설명하자면,


 

 

 

 

 


햄버거 6가 있습니다. 이를 다 먹어야 하는 사람들이 있습니다.


햄버거는 왼쪽에서부터 지급되며 자신이 먹을 만큼만 먹고 다음으로 넘깁니다.


왼쪽부터 사람들의 먹는 비율은 1 : 2 : 3이며 비율에 맞게 나누어 먹어야 합니다.


이때 사람들의 왼쪽 순서대로 햄버거를 먹는 양은 1 2 3이게 됩니다.


만약 햄버거가 12가 되면 1 : 2 : 3 의 비율에 맞춰 2 4 6씩 먹어야 합니다.

 



이번엔 약간 당연하지 않은 것 같습니다. ㅎㅎ (비유하기가 너무 힘드네요)


어쨌든 이를 전자적으로 표현한다면


햄버거 = 전압사람 = 회로소자 => 저항, 개 = V  , 먹다 = 인가된입니다.


이 법칙을 공식으로 표현하면

(V1, V2, V3 = 저항이 사용하는 전압 , V4 = 입력 전압 )입니다.


이때 나누어지는 전압의 양은 저항끼리의 크기 차이에 비례합니다.



 

키르히호프의 제1법칙에 의하면 직렬회로에는 동일한 전류가 흐르며


옴의 법칙에 따르면 동일한 전류가 흐를 때 전압은 저항에 따라 비례하고


키르히호프의 제2법칙에 의하면 저항의 비례에 따라 전압을 나누어 모두 인가되어야 합니다.


그러므로 사용하고 싶은 전압을 저항의 비율에 따라 원하는 전압을 사용할 수 있습니다.


아직 감이 안 오시나요?


예시를 하나  들어 보충 설명해보겠습니다.



위의 회로가 구성되어있습니다.


해당 회로의 전압은 10V가 인가되어 있고, 저항 2개가 직렬로 연결되어있습니다.


아까 말씀드린것 같이 회로에서 10V를 모두 인가되어야며


저항은 저항의 크기에 따른 비율로 전압이 인가되어야 합니다.



전압 분배 법칙을 식으로 나타내면

(R2를 구하는공식)

( Vout = R

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