오브젝트 기초 물리 개념(Basic Physical Concepts) IT CookBook, 전기전자공학개론 1장

1 원소와 원자 2 전자의 이동

Section 01 원소와 원자 원소와 원자 양성자, 중성자, 원자 번호 원소(element) : 어떠한 화학 변화로도 더 이상 분해되지 않는 물질 원자(atom) : 물질을 구성하는 가장 작은 입자  원자 구조가 서로 약간만 달라도 그 고유 성질에 주요한 차이를 보임 양성자, 중성자, 원자 번호 원자핵 : 원소의 정체성을 부여하며, 양성자와 중성자로 구성됨 원자 번호 원자핵 속에 있는 양성자의 수 원소의 정체성을 결정함 원자핵의 구성 공통점 차이점 양성자(proton) 밀도가 매우 높다. (거의 같은 질량을 가짐) 전하를 띤다. 중성자(neutron) 전하를 띠지 않는다.

Section 01 원소와 원자 동위원소 및 원자량 동위원소(isotope) 중수소(heavy hydrogen) 원자 번호는 같으나 중성자 수가 서로 다른 원소 각 원소는 하나의 특정한 동위원소를 가짐  원소의 중성자 수를 변화시키면 원소의 원자량과 밀도가 달라짐 중수소(heavy hydrogen) 원자핵에 양성자와 함께 하나 또는 두 개의 중성자를 포함하고 있는 수소 원자량(atomic weight) 원자핵의 양성자 수와 중성자 수의 합과 거의 같음 예) 원자량이 12인 탄소 : 탄소 12 또는 C12 원자량이 14인 탄소 : 탄소 14 또는 C14

전하의 극성에 따른 척력과 인력 (a) 서로 동일한 극성의 경우 : 척력 (b) 서로 반대의 극성의 경우 : 인력

Section 01 원소와 원자 전자 전자(electron) 원자의 초기 모델  원자 내에서 에너지를 얻는 전자 원자핵을 둘러싼 양성자와 반대되는 전하 음극(negative) : 전자의 전하 양극(positive) : 양성자의 전하 양성자와 똑같은 전하량을 가지며, 극성은 반대 일반적인 원자의 전자 수는 양성자와 동일 → 전기적으로 중성 원자의 초기 모델  원자 내에서 에너지를 얻는 전자

Section 01 원소와 원자 이온 이온(ion) 이온화된 물질 전하(양전하 또는 음전하)를 띠는 원자 많은 이온을 포함하고 있는 물질 일반적으로 전기가 잘 통함 예) -. 높은 고도의 지구 대기 : 아원자 입자에 의해 전자를 잃음 → 특정 주파수에서 장거리 무선통신을 가능하게 함 -. 이온화된 공기 : 번개가 발생할 수 있게 하여 강력한 전기장에 의해 이온화 발생 -. C14 : 전자 하나를 잃어 양극의 단위전하를 가진 이온이 됨

Section 01 원소와 원자 화합물 화합물(compound) 물 분자의 단순 도식 원소끼리 전자를 공유하며 결합한 결과물  예) 수소 원자 2개+산소 원자 1개 → 물 원소의 단순한 혼합과는 달리 각 원소의 고유 성질을 잃음  예) 철(회색 고체) + 산소(기체) → 녹(적갈색 또는 갈색 분말) 물 분자의 단순 도식

Section 01 원소와 원자 분자 분자(molecule) 여러 개의 원소 원자가 결합하여 화합물을 형성할 때 생기는 입자 예) 산소 분자 : O2, 물 분자 : H2O, 오존 : O3 모든 물질은 분자로 구성되어 있으며, 항상 운동하고 있음  온도가 높을수록 분자의 운동은 더 빨라짐 고체(A), 액체(B) 및 기체(C)에서 분자 정렬 형태의 단순 모형

Section 02 전자의 이동 전도체 전기 전도체(conductor) 전기 전도체에서 전자는 한 원자에서 다음 원자로 이동함 전자의 이동이 쉬운 물질 예) 순은(실온에서 가장 좋은 전도체), 구리, 알루미늄, 수은, 소금물 기체나 기체 혼합물은 일반적으로 전기 전도성이 좋지 않음  원자나 분자가 보통 서로 멀리 떨어져 있어 전자를 서로 교환하기 어렵기 때문 기체가 이온화가 되면 상당한 전기 전도체가 될 수 있음 전기 전도체에서 전자는 한 원자에서 다음 원자로 이동함

Section 02 전자의 이동 절연체 절연체(insulator) 유전체(dielectric) 절연체의 이용 전기나 열을 전달하기 어려운 성질을 가지는 물질 전류를 흐르는 것을 막음(아주 작은 양 제외) 예) 기체, 유리, 마른 나무, 플라스틱,금속 산화물 전기 절연체는 강제로 전류가 흐르는 것이 가능 이온화 현상 : 전자가 원자에서 이탈, 자유로이 움직임 유전체(dielectric) 전하를 따로 떨어져 있게 하여 두 곳의 전하 차이를 평준화, 전자의 흐름을 방지 절연체의 이용 전자가 흐르지 않는 것이 중요한 커패시터(capacitor)같은 전기 부품 애자(insulator) : 도자기, 유리를 이용 단락 회로를 방지하는 전기 시스템에서 사용

Section 02 전자의 이동 반도체 반도체(semiconductor) 반도체 재료에서 전자와 정공의 이동 전자를 흘릴 수는 있지만 전도체에서와 같이 잘 흘리지는 않는 물질  도체와 부도체의 중간 영역 실리콘, 셀레늄, 갈륨 인듐 또는 안티몬(불순물)  갈륨비화물, 금속산화물, 실리콘 정류기 이러한 재료의 전기 전도는 항상 전자 운동의 결과임 반도체 재료에서 전자와 정공의 이동 도핑(doping)

Section 02 전자의 이동 N형 반도체와 P형 반도체 반도체는 다이오드, 트랜지스터 및 집적회로에 사용됨 N형(N-type) 대부분의 전하 운반자가 전자일 때 전자가 음전하(negative charge)를 띠므로 이러한 반도체는 N형(N-type)이라 함 P형(P-type) 대부분의 전하 운반자가 정공일 때 정공은 양전하(positive charge)를 띠므로 이러한 반도체는 P형(P-type)이라 함 P형 재료는 약간의 전자를 통과시키고 N형 재료는 정공을 운반 전하 운반자가 더 많은 형 : 다수 운반자 전하 운반자가 많지 않은 형 : 소수 운반자 반도체는 다이오드, 트랜지스터 및 집적회로에 사용됨  컴퓨터 및 텔레비전 수상기를 손에 쥘 수 있는 작은 크기로 만들 수 있도록 함

반도체란? 온도, 외부여기, 불순물에 따라 전도도는 변함 물질은 전기적 특성에 의해 도체, 부도체, 반도체로 구분할 수 있다. 반도체는 도체와 부도체 사이의 전도도를 가지는 물질. 온도, 외부여기, 불순물에 따라 전도도는 변함

금속/비금속의 전도도

반도체의 특성은 ?

진성반도체와 외인성 반도체 불순물 첨가에 의한 이동전하의 증가 진성 반도체: 불순물이 첨가되지 않은 반도체 외인성 반도체: 불순물(전자, 정공)이 첨가된 반도체 N-Type(전자>정공), P-Type(정공>전자)

도핑농도에 따른 저항율의 변화 저항율증가 불순물농도증가

Section 02 전자의 이동 전류 초당 쿨롱(coulomb) 암페어(ampere) 전하 운반자의 이동 전기의 흐름을 의미 초당 전하 운반자 수로 전류 측정은 비현실적 1쿨롱 = 6,240,000,000,000,000,000개의 전자 암페어(ampere) 초당 1쿨롱의 전류 전류의 표준 단위

전류의 종류 전도전류 (conduction : 도체의 매질을 통하여 흐르는 전류) (ex. Conductor ) 대류전류 (convection : 진공, 가스, 액체 등 매질을 통하여 흐르는 전류) (ex. vacuum tube) 변위전류 (displacement : 축적된 전하의 시간에 따른 변화에 의한 전류) (ex. capacitor) 편광 (polarization : 편광 전기장의 시간에 따른 변화) (ex. dielectric material) 일반적으로 회로해석에서 정의되는 전류는 전도 전류를 말한다.

시간에 따라 변하는 전하량은 반드시 소문자 q 로 표시 순시 전류는 소문자 i 로 표시 1C 에 대하여 위의 식을 이용하여 설명하면 ?

시간에 따라 변하는 전하량은 반드시 소문자 q 로 표시 순시 전류는 소문자 i 로 표시

회로 내 전류의 표시 Example 1> 전류는 방향을 나타내는 화살표 기호와 전류의 값으로 표시 전하 3C 이 매초 오른쪽으로 이동 함을 의미 양의 전하? 음의 전하?

전류의 방향 (a) (b) (c) (d)

Section 02 전자의 이동 정전기 밴 더 그래프 정전발전기(Van de Graaff generator)의 단순 도식 전자는 흐르지 않고 물체에 축적되거나 부족할 수 있음 습기 없는 건조한 곳에서 발생 전하 운반자(전자)가 가만히 있으므로 정(static)이라는 접두어가 붙음 땅바닥이나 큰 설비에 연결된 금속 물체를 만지기 전까지는 알 수 없고 접촉 시 스파크와 함께 방전 밴 더 그래프 정전발전기(Van de Graaff generator)의 단순 도식 스파크를 몇 센티미터 길이로 발생시킬 정도로 큰 전하를 축적 가능 사용 시 주의를 요함

Section 02 전자의 이동 기전력(전압) 비전기적 에너지 기전력(EMF, electromotive force) 전류는 압력을 받을 때만 흐름 압력은 정전하가 축적되면 생김 양극(전자의 부족)과 음극(전자의 초과)으로 전하가 축적 될 경우 존재 단위 : 볼트(volt) 전위(potential), 전위차(potential difference) 전류가 흐르지 않고 생기는 기전력 전류는 없지만 두 곳 사이에 전도성 통로가 주어지면 전류가 가능 비전기적 에너지 전기에너지 외에 다른 형태의 에너지를 포함하는 현상 예) 가시광선 : 백열전구는 전기를 복사에너지로 바꿈 광기전성 셀(photovoltaic cell) : 가시광은 전류나 전압으로 바뀔 수 있음 적외선(IR, infrared) : 전기가 열에너지로 바뀔 때 생기는 복사에너지 형태 전기는 전자파, 자외선(UV), X선 같은 다른 복사에너지로 전환 가능 자기를 전기로 바꾸는 발전기  발전기를 반대로 작동시키면 전동기가 됨

위, 아래 극판에, 위는 양전하들이 아래는 음전하들이 배치되어 있는 경우. 단위 양전하를 위로 밀어 올리면 극판의 양전하들에 의한 반발력 즉 전기적인 척력을 받는다 . 위로 양전하를 좀더 올리려면 외부 에서 에너지를 공급 받아야 한다. 따라서 위로 올라갈수록 전기적인 위치에너지(전위) 는 증가한다 + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + E F

전위 (potential ) 전위(potential)는 일을 할 수 있는 능력을 뜻한다. 극성이 다른 두 개의 전하는 전위차(difference of potential)를 갖는다. 전위차의 단위는 볼트(volt)이다. 전위차를 전압(voltage)이라고도 말한다.

Section 02 전자의 이동 저항기 저항기(resistor) 전기 저항의 단위 옴(ohm) 탄소 반죽에 불순물을 첨가시키거나 가는 전선을 코일로 감는 방법 등으로 전도성을 변화시키도록 만든 전기 부품  전류를 제어 저항기가 전류를 잘 흘릴수록 저항기의 저항(resistance)은 낮아지고, 잘 흐르지 않을수록 저항은 높아짐 전기 저항의 단위 옴(ohm) 옴 값이 클수록 저항이 크고 전류의 흐름은 더욱 어려움 전선의 저항은 때로 단위길이(ft, m, km, mile)당 옴으로 규정 전기시스템의 저항 또는 옴 값이 가능한 작은 것이 바람직  저항은 전기에너지를 열로 바꾸기 때문

저항에서 소모된 전력은 물리적 열 혹은 빛으로 변환되어 나타나며 항상 양의 값이다.

전력의 전송과 흡수 (a) 1C 의 전하가 + 단자를 통해 들어가서 – 단자를 통해 나오는 경우 5J의 - Absorbing energy : A positive current enters the positive terminal of voltage (전력의 흡수)          - Delivering energy : A positive current enters the negative terminal of voltage (전력의 전송)    (a) 1C 의 전하가 + 단자를 통해 들어가서 – 단자를 통해 나오는 경우 5J의 에너지가 필요하다. 2A 가 흘러 들어가는 경우 소자는 10J의 일을 한다. (a)의 경우 즉, 전류가 + 단자로 들어가게 표시된 경우 수동부호규정을 만족한다고 한다

회로해석에 주로 사용되는 기본 단위들 (빨강색 박스 내) Current 의 단위는 ?

electro ⇒ 나무액이 암석화된 호박(amber)의 그리스어인 elektrum에서 유래