05. 전류, 전압, 저항

1. 전류와 전압

이번에 다룰 내용은 고등학교, 대학교로 넘어가면서 '전자기학'이라는 내용으로 다루게 될 파트의 기본을 다루게 된다. 늘상 강조했지만 '기본'이라 함은 과학에서 사용하는 용어들의 '약속'을 익히는 과정이다. 언어에서 말하면 '문법'을 배우는 시기라고 보면 될 것이다. 아무튼, 하나씩 봐보도록 하자.

우리가 공부를 하는 원동력?

공부는 '흐름'이 존재한다. 즉 잘 될때 엄청 잘 되고, 안 될때는 무엇엔가 막힌 듯 잘 되지 않을 때도 있다. 공부에 흐름이 있듯이 전기, 전자에도 흐름이 존재한다. 이러한 전하의 흐름을 '전류'라고 하며, 기호 ' I '로 나타낸다. 근대의 과학자들은 전류의 방향을 '전지의 (+)극 방향'에서 '전지의 (-)극 방향'으로 흐르는 것이라고 설정하였다. 그러나 문제가 발생했다. 시간이 지나며, 전류가 전자의 이동에 의해서 발생한다는 사실이 밝혀지면서, 전자는 (-)극에서 (+)극으로 이동한다는 사실이 밝혀진 것이다. 과학자들은 고심 끝에 이 둘을 혼용해서 사용하기로 하였다. 따라서 우리는 전자의 이동 방향과 전류의 방향 둘 다를 기억하고 있어야 한다. 

	전자	전류
이동 방향	(-) 극 → (+) 극	(+) 극 → (-) 극

한편 예외는 있겠지만, 아무런 동력 혹은 '압력' 없이 공부를 계속해서 할 수 있었는가? 아주 드물게는 그런 학생들이 있을 수도 있겠다. 그러나 기본적으로 우리는 '스트레스'라고 불리는 일련의 압박에 의해서 발전하게 된다. 전류 역시 마찬가지다. 아무런 압력 없이 그저 흐를 수 있는 것이 아니다. 이렇듯 전류를 흐를 수 있게 해 주는 압력을 우리는 '전압'이라고 부른다. 다시 말해 전기 회로에서 전류를 흐르게 하는 능력을 '전압'이라고 부른다. 전압은 기호를 V(Voltage)로 쓰며 단위 역시 'V(볼트)' 를 사용한다.

 

2. 저항: 전류와 전압 사이의 관계

그렇다면 압력만 강하게 넣어준다면 공부량이 무한정 늘어날까? 우리는 그렇게 강압적으로 아이를 교육하여 아이가 정신적으로 건강하게 자라지 못하는 경우를 종종 들어 왔다. 항상 일정 수준 이상의 압력을 받게 되면, 우리는 본능적으로 그에 저항하려는 성질과 마주하게 된다. 학원에서 아무리 빡세게 공부를 시켜도 일정 수준을 넘어가면 학원을 그만두게 되면 그만두지, 절대로 더 열심히 할 수가 없게 된다. 회로로 가져와 생각해 보면, 전기 회로에서 전류가 흐르는 것을 방해하는 척도를 우리는 '전기 저항'이라고 하며, 이후 저항이라고 줄여서 표현한다. 저항의 기호는 R(Resistant)이며 단위는 'Ω(옴)' 을 사용한다.

저항이 생기는 원인은 단순하다. 전자가 이동하는 흐름이 전류인데, 전자가 이동하다보면 그 자리를 지키고 있는 원자핵과 필연적으로 마주하게 된다. 쾅 하고 부딪친다면 아예 이동할 수가 없겠지만, 사실 그정도는 아니고, 조금 방해를 주는 정도이다. 하지만 이러한 방해 때문에 우리는 일정량의 전압을 걸었을 때, 원하는 만큼의 전류를 얻지 못하게 되는 것이다. 마치 지그재그로 길을 가는 것과 비슷하다고 생각하면 될 것이다.

이러한 저항은 크게 두 가지에 영향을 받게 되는데, 첫번째는 '물질의 종류'이다. 원소마다 고유한 전기 전도성이 다른데, 이것이 바로 저항의 척도가 된다. 이 세상에서 가장 전기 전도성이 좋은 물질은 '은'이다. 그러나 은은 비싸기 때문에, 우리는 다음으로 빠른 편에 속하는 '구리'를 회로 도선에 사용하게 되는 것이다. 그러나 물질의 종류에 의한 저항은 우리의 논점이 아니다. 두번째 영향은 '도선의 길이와 단면적' 이다. 아까 저항은 지그재그 상태로 길을 뛰어가는 것과 같다고 말한 바 있었다. 이 거리를 늘리면 어떻게 될까? 늘어나면 늘어날수록 가는데에 더욱 힘이 들 것이다. 반면 이렇게도 생각해 보자. 만약 지그재그의 너비를 넓혀준다면? 그렇다면 조금은 풀어진 느낌으로 달릴 수 있을 것이다. 전류 역시 마찬가지인데, 전항은 도선의 길이가 길수록 증가하며, 도선의 단면적이 증가할수록 감소하게 된다. 정리해보면 다음과 같다.

	도선의 길이	도선의 단면적
설명	도선의 길이가 길 수록 원자와의 충돌 횟수가 많아지게 되므로 저항이 커진다.	도선의 단면적이 넓을수록 단면을 통과할 수 있는 전자의 수가 많아지므로 저항이 작아진다.
예	두 도선 A, B의 재질과 단면적이 같고, 길이는 A가 B의 2배인 경우: B의 저항이 A의 2배가 된다.	두 도선 A, B의 재질과 길이가 같고, 단면적은 A가 B의 2배인 경우: A의 저항이 B의 1/2배가 된다.

게오로크 시몬 옴

독일의 물리학자였던 옴은 이러한 저항, 전류, 전압 사이의 일련의 관계를 찾아내었는데, 그 내용이란 전류의 세기는 전압에 비례하고, 저항에는 반비례 한다는 것이었다. 이를 통해 당시에는 다소 추상적으로만 정의되었던 전류, 전압, 저항 사이의 관계가 수식으로 표현이 가능해졌는데, 이를 '옴의 법칙'이라고 한다.

V = IR

아주 단순한 공식이지만 이 단원의 전반에 걸쳐 매우 중요한 수식이므로, 잘 기억해 두었으면 한다.

3. 저항의 연결 방식: 직렬 연결과 병렬 연결

저항을 일자로 연결한것을 저항의 '직렬 연결'이라고 하며, 저항을 세워서 (병으로) 연결한 것을 저항의 '병렬 연결'이라고 한다. 구체적으로 이들이 가지는 의미를 알지는 못할지라도, 우리는 초등학교 과정에서 이미 직렬과 병렬의 정의에 대해서 다룬 바 있다. 그렇다면, 이들은 어떤 특징이 있을까?

직렬 연결

먼저 직렬을 살펴보자. 저항을 직렬로 연결하게 되면, 서로 다른 두 저항은 같은 '전류'를 공유하게 된다. 이는 다시 말해 중간에 선을 뚝 하고 끊으면 뒤의 나머지 저항들도 다 전류가 통하지 않음을 의미한다. 어찌 보면 당연한 일이기도 하다.

그러나, 저항의 크기는 각각의 저항마다 다르기 때문에, 같은 크기의 전류가 흐르는 각각의 저항은 각각의 다른 전압을 가지게 된다. 우리는 각 저항에 대한 전압을 '옴의 법칙'을 통해 구해줘야 하는 것이다.

병렬 연결

한편 병렬을 살펴보자. 병렬과 직렬의 가장 큰 차이점은 전류와 전압일 것이다. 병렬 연결은 병으로 연결된 모든 도선에 동일한 전압이 걸리게 된다. 그러나 저항의 크기는 각 저항마다 다르므로, 각각의 저항에는 서로 다른 크기의 전류가 흐르게 된다. 다시 말해 둘 중 하나의 도선을 끊어내어도, 다른 한 쪽의 도선에는 여전히 전류가 통한다. 이것이 직렬과 병렬의 가장 큰 차이점이다.

(서로다른 두 저항 R1, R2)	직렬연결	병렬연결
전류	각 저항에 흐르는 전류의 세기는 같다. I = I1 = I2	저항의 크기에 반비례하여 전류가 나누어 흐른다. I1 = V/R1 , I2 = V/R2
전압	각 저항의 크기에 비례하여 전압이 나누어 걸린다. V1 = IR1, V2 = IR2	각 저항에 걸리는 전압의 크기는 같다. V = V1 = V2
저항	많이 연결할수록 저항이 증가한다. R = R1 + R2	많이 연결할수록 저항이 감소한다. 1/R = 1/R1 + 1/R2
전구의 밝기	전구를 여러개 연결하면 어두워진다.	전구를 여러개 연결해도 밝기가 같다.

 

직렬연결과 병렬연결의 특징들은 매우 중요하므로 꼭 숙지하기 바란다.

 

Edited. 21.05.03