전자공학 1. 전기란 무엇인가[전류/전압/저항/전력] 의미와 계산

아무래도 반도체 공부를 위해서는 기초 과학에 대한 이해도 필요할것같아 쓰기 시작합니다. 전기부터 차근차근 시작해서 원자와 전자의 이해 그리고 나아가서는 반도체란 무엇인가까지 천천히 나아가도록 하겠습니다.

 

우선 전기는 어떻게 해서 만들어지는가? 입니다. 전기의 개념을 알기위해서는 원소의 개념을 이해해야하는데 원소에는 +전기를 가진 양자(Proton)과 같은 질량을 가지며 전기를 갖지 않는 중성자(Newtron)그리고 -전기를 띤 전자(Electron)으로 구성되어 있습니다. 가장 간단한 수소로 보면

중앙의 양자와 주위의 전자. 그림은 역시나 죄송

이런 형식으로 되어있다. 여기서 전자가 원자핵을 주위로 회전하고 있으며 이 전자는 외부의 에너지(열, 빛, 마찰)로 인해 핵과의 결합을 끊고 벗어나 자유전자가 될 수 있다. 모든 물체는 이런 형식으로 되어있으며 자유전자가 많으면 우리가 익히 아는 도체, 자유전자가 적은것일수록 부도체(절연체)라고 할 수 있다. 

 

전류 

 

자유전자가 많고 흐르기 쉬운 물질에서 자유전자가 이동하는것을 전류라고 한다. 어떻게 자유전자가 이동하는가 하면 단순히 많고 적음의 문제이다. 우리가 사는 모든곳은 물체가 많은곳에서 적은곳으로 움직이려한다. 폭포가 위에서 아래로 떨어지는건 높은 위치에너지를 갖고있는 물이 위치에너지가 낮은 쪽으로 흐르려는 경향이 있기 때문이다.

 

이때 전류의 방향은 +방향에서 -쪽으로 흐른다고 약속한다. 왜 약속이냐면 실제로 움직이는건 -를 가진 자유전자가 +쪽으로 흐르는것인데 애초에 약속을 해버렸던 내용이라 계속 동일하게 +에서 -로 흐른다고 약속하는것이다. 이때 전류를 계산하려면 일정 시간동안 지나간 전자의 양을 계산하면 되는 데 이를 전하량 Q라고 한다.

 

즉 전류 I=Q/S=C/sec=A(암페어) 로 계산한다. 이러한 전류는 3가지 작용을 일으킨다. 

 

1.발열작용

전류가 흐른다는것은 자유전자가 어딘가를 비집고 들어가 움직인다는것으로 저항을 뚫고 지나가며 열을 발생시킨다. 저항값이 클수록 또 전류값이 클수록 발열은 더 강하게 발생한다.

 

2.자기작용 

전기에너지는 기계에너지로의 변환이 가능하다. 모터나 발전기등은 전기에서 기계로, 기계에서 전기로 에너지가 변환됨을 이용한 장치들이라 할 수 있다.

 

3.화학작용

전류에 의해 화학변화를 일으킨다. 일반적으로 전기분해를 이용한 수소 만들기 실험이 대표적인 예이다. 

 

전압

 

전압은 전기적인 압력을 말하는것으로 단위는 volt(V)를 사용한다. 전기가 계속 흐르려면 전기적인 압력이 꾸준히 있어야하는데 전압을 만들어내는데 필요한 힘을 기전력이라고 한다. 이러한 기전력은 보통 우리가 흔히 부르는 전원(Power)에서 나오고 만약 전원이 같은 힘을 가졌으면 전류는 흐르지 않는다. 한마디로 전원의 파워도 물론 중요하지만 더욱 중요한건 각각이 가진 기전력의 차이라고 볼 수 있다.

 

저항

 

우리가 걸어다니면 신발 밑창이 뜯어지는데 이는 바닥과의 마찰력으로 인함을 알 수 있다. 전기에서도 이러한 마찰력과 같이 전자가 지나다니는데 방해하는 힘이 있는데 이를 저항이라고 한다. 일반적으로 소재와 그 소재의 길이, 그리고 굵기에 따라 변화하며 단위는 ohm(Ω)을 사용한다. 

 

저항을 구하는 식은 R=ρL/A 로 ρ는 물체가 가진 고유의 저항 즉 비저항을 의미한다.

그리고 R=V/I 로 전압과 비례하고 저항과 반비례함을 알 수 있다. 이것을 살짝 바꾸면

 

V=IR(ohm의 법칙)이 나온다. 전기에서 가장 기초적인 수식이다. 

 

전력

 

마지막으로 전력에 대해 알아보면 이제 저항과 전압을 통해 전류가 흐르는것을 배웠다. 그러면 전류가 흐르면 무슨일이 일어나나가 포인트인데 이 전력이란 전기가 흐르면서 열,빛,힘 등등 다양한 에너지로 변환되고 그러면서 일을 해주는데 이를 힘의 크기로 나타낸것이 전력이다. 그 크기는 watt로 표현된다.  수식으로는 다음과같다.

 

P=VI이며 옴의 법칙에 의하여 변형이 가능하다.

 

이렇게 기초적인 전기에 대해 배웠습니다. 질문은 언제나 환영입니다.