[회로이론] 옴의법칙과 에너지와 전력변환

본 자료는 국립 창원대학교 메카트로닉스 공학부 학생을 대상으로 한 회로이론 수업 자료입니다. 본 자료는 수업의 교재인 회로이론 제7판 (Thomas L. Floyd 지음, 이응혁 외 번역, ITC) 의 내용을 재구성한 것으로 수업보조 자료 이외의 목적이 없음을 알립니다.

옴의 법칙

옴의 법칙(Ohm's Law)은 위 에서처럼 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다는 것입니다. 

즉, 일정저항에 대해서 전압이 증가하면 전류도 증가하고

일정저항에 대해 전압이 감소하면 전류 역시 감소하게 됩니다. 물론 일정 전압에 대해서는 반비례의 관계를 가지게 되구요.

에너지와 전력

에너지(energy)는 일을 할 수 있는 능력이고,
                                                   전력(power)은 사용된 에너지의 비율이다.

(P=전력(단위 W), W=에너지(단위 J), t=시간(단위 s))

위 정의와 그 정의식이 보여주듯이 1J의 에너지를 1초에 사용한 전력량을 1W[watt] 라고 합니다. 여기서 에너지에 대해 식을 정리하면

인데요. 이때 J을 kWh로 많이 표기합니다. 이것도 역시 에너지의 단위입니다. 에너지 소비량을 의미하죠. 1시간 동안 1400W가 소비되었다면, 1.4kWh의 에너지를 소비했다는 뜻입니다. 

보통 전력 P은 저항 R과 전류 I를 이용해서

 

많이 구합니다. 물론 위 식은 V=IR(옴의법칙)이므로, P=VI로도 많이 사용하기도 하지요. 

여기서 정격전력이라는 것에 대해 이야기를 잠시 하면, 정격전력(power rating)은 저항(혹은 다른 전기적 소자)이 과열에 의해 손상이 없이 소비하는 최대의 전력량을 의미합니다. 간단히 예제를 통해 알아보면

1/4W급 저항이 9V전원에 연결되어있다고 생각해보죠. 여기서 간단히 전력을 구해보면 

입니다. 1/4W는 0.25W이니 0.8W이상을 견뎌야하는 위 회로에서는 사용해서는 안되겠네요. 

전압강하

위 그림에서 보죠. 먼저 전원 Vs가 +단자와 -단자를 연결하면서 저항 두개가 연결되어 있습니다. R1저항의 왼쪽으로는 상대적으로 -, 오른쪽은 상대적으로 +일 것이며 전류의 흐름에 따라 발열 등의 문제로 인해 전압이 감소하게 될 것입니다. 이것을 전압강하라고 합니다. 전압강하(Voltage Drop)의 본래 정의는 에너지 손실에 의한 전압의 감소입니다.

참고자료 [2009] circuit 03.pdf