18.전류 Dept. of Physics, CBNU

18. 전류 18.1 전지 18.2 전류 18.3 옴 법칙; 저항과 저항기 18.4 비저항 18.5 전력 18.6 가정용 회로의 전력 18.7 교류 18.8 전류의 미시적 관점 18.9* 초전도 현상 Dept. of Physics, CBNU

18장 주요용어 암페어·시(ampere-hour; A·h) 전극(electrode) 전해질(electrolyte) 18장 주요용어 암페어·시(ampere-hour; A·h) 전극(electrode) 전해질(electrolyte) 저항(resistance) 전지(battery) 옴법칙(Ohm’s law) 단자(terminal) 저항기(resistor) 회로(circuit) 비저항(resistivity) 전류(electric current) 비저항의 온도 계수(temperature coefficient of resistivity) 암페어(ampere; A로 표시) 완성 회로(complete circuit) 킬로와트시(kilowatt-hour; kWh) 열린 회로(open circuit) 접지(ground) 퓨즈(fuse)

18장 주요용어 회로 차단기(circuit breaker) 직류(direct current, dc) 18장 주요용어 회로 차단기(circuit breaker) 직류(direct current, dc) 교류(alternating current, ac) 봉우리 전압(peak voltage) 봉우리 전류(peak current) 초전도체(superconducting)

18-1 전지 볼타는 서로 다른 금속이 전해질이라 불리는 전도성 용액에 의해 연결되어 있으면 전기를 만들어 낼 수 있음을 발견하였다. 전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 전지 내에서의 화학 반응은 단자를 천천히 용해하여 양 단자사이의 전위차이를 생성한다. 이러한 전위차는 전류가 흐르는 동안에도 유지된다. 시간이 흐르면 어느 한 쪽의 전극이 소모되고 전지는 수명을 다한다. Dept. of Physics, CBNU

전지를 하나 또는 여럿을 연결한 것을 건전지라고 한다. (a) 보통 건전지 (D형 전지 또 는 AA형)의 개략도. 원통형 아연 컵 측면 이 덮여 있다. 평평한 바닥이 음의 단자이 다. (b) 직렬 연결된 두 건전지(AA형). 한 건전지의 양의 단자가 다음 건전지의 음의 단자에 대고 밀고 있다. Dept. of Physics, CBNU

18-2 전류 전류: 단위 시간에 도선의 단면을 통과하는 전하의 알짜 양 전류의 단위 : ampere (A) 1 A = 1 C/s 완성 회로에서만 전류가 흐르고 열린 회로에서는 전류가 흐르지 않는다. 또한 완성 회로내의 모든 점에서 정상 전류는 동일하다.  전하 보존의 법칙 Dept. of Physics, CBNU

관례적으로 회로에서 흐르는 전류의 방향은 양전하가 흐르는 방향으로 정한다. 실제 전자의 흐름은 이와 반대이다. 예제) 다음 중 전구에 불이 켜지는 회로는 어느 것인가? 관례적으로 회로에서 흐르는 전류의 방향은 양전하가 흐르는 방향으로 정한다. 실제 전자의 흐름은 이와 반대이다. Dept. of Physics, CBNU

예제 18.1 전류는 전하의 흐름 도선에 4분 동안 2.5 A의 정상 전류가 흐른다. (a) 4.0분 동안 어느 점을 통과하는 전하의 양은 얼마인가? (b) 전자 수는 얼마인가? 풀이: (a) 전류가 2.5 A 또는 2.5 C/s 이므로 4.0분 동안 도선의 한 점을 통과한 전체 전하는 (b) 전자 하나의 전하는 1.6010-19 C 이므로 600 C 에 들어있는 전자 수는 Dept. of Physics, CBNU

18-3 옴 법칙; 저항과 저항기 금속 도선 안의 전류는 양쪽 끝에 걸린 전위차에 비례한다는 것이 실험적으로 밝혀졌다. 전압과 전류 사이의 비례인자를 저항이라고 한다. : 옴 법칙 저항의 단위: ohm () 1  = 1 V/A 옴 법칙을 따르는 물체 반도체 다이오드와 같이 옴 법칙을 따르지 않는 물체 Dept. of Physics, CBNU

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예제 18.2 손전등 전구의 저항 작은 손전등 전구가 1.5 V 전지에서 300 m A의 전류가 흐른다. (a) 전구의 저항은 얼마인가? (b) 전지가 약해져서 1.2V 로 떨어지면 전류는 얼마나 변하는가? 전구는 옴 법칙을 따른다고 가정한다. 풀이: (a) 저항은 (b) 전압이 변해도 저항은 동일하므로 Dept. of Physics, CBNU

전지는 (거의) 일정한 전위차를 유지한다; 전류는 변한다. 저항은 도선이나 장비의 특성이다. 몇 몇 유용한 설명 전지는 (거의) 일정한 전위차를 유지한다; 전류는 변한다. 저항은 도선이나 장비의 특성이다. 전류는 벡터양은 아니지만 방향이 있다. 전류의 방향은 높은 전위(+)에서 낮은 전위()로 향한다. 전류와 전하는 소모되지 않는다. 도선의 한쪽 끝으로 들어간 전하는 다른 쪽 끝으로 나온다. Dept. of Physics, CBNU

18-4 비저항 도선의 저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 비례상수  는 비저항이며 물질의 고유 성질이다. Dept. of Physics, CBNU

예제 18.3 스피커 도선 스테레오를 스피커에 연결한다. (a) 도선의 길이가 20m 일 때 도선 하나의 저항이 0.10  이하가 되려면 구리도선의 지름은 얼마여야 하는가? (b) 스피커로 가는 전류가 4.0 A 이면 각 도선 양단의 전위차는 얼마인가? 풀이: (a) 필요한 도선의 면적은 원형 도선의 단면적은 이므로 (b) Dept. of Physics, CBNU

비저항은 온도에 따라 달라진다. 일반적으로 금속의 비저항은 온도에 따라 증가한다. 비저항의 온도 의존성: 비저항은 온도에 따라 달라진다. 일반적으로 금속의 비저항은 온도에 따라 증가한다. 여기서 0 는 기준온도에서의 비저항, T 는 온도 T 에서의 비저항,  는 비저항의 온도계수이다. Dept. of Physics, CBNU

예제 18.4 저항 온도계 온도에 따라 전기 저항이 변한다는 사실로부터 정밀한 온도 측정을 할 수 있다. 백금이 흔히 사용되는데 부식이 안되고 녹는 점이 높기 때문이다. 20C 에서 백금 저항 온도계의 저항이 164.2 인데 특정한 용액에 넣으면 187.4  이 된다. 용액의 온도는 얼마인가? 풀이: 이므로 저항의 온도 의존식은 유의: 저항 온도계는 매우 높거나 낮은 온도에서도 사용할 수 있는 장점이 있다. Dept. of Physics, CBNU

18-5 전력 전력: 단위 시간당 전기장치에 의해 변환된 에너지 전력의 단위: 와트 (W) 옴 법칙을 따르는 물체의 경우 Dept. of Physics, CBNU

전기 요금은 전력이 아니라 전기 에너지에 대한 요금이다. 전체 에너지는 소비전력(W=J/s) 사용시간(s) 이다. 전기 요금은 전력이 아니라 전기 에너지에 대한 요금이다. 전체 에너지는 소비전력(W=J/s) 사용시간(s) 이다. 킬로와트시(kWh): 전기회사가 표시하는 단위 Dept. of Physics, CBNU

풀이: 전력을 구하고 한달 동안 사용한 시간을 곱한다. 예제 18.6 전기 히터 전기 히터가 120 V, 15.0 A 를 쓴다. 하루에 세시간 작동하고 요금이 kWh당 9.2 센트라면 필요한 전력은 얼마이고 한달 요금은 얼마인가? 풀이: 전력을 구하고 한달 동안 사용한 시간을 곱한다. 요금은 Dept. of Physics, CBNU

예제 18.7 [추산] 번개 번개는 자연현상 중 전류의 멋진 예이다. 전형적인 유형은 약 0.2 s동안 5107 V 의 전위차를 건너 109 J 의 에너지를 전달한다. (a) 구름에서 지면으로 전덜되는 전하의 총량 (b) 번개의 전류 (c) 0.2 s 동안 전달되는 평균 전력을 추산하라. 풀이: (a) 변환된 에너지는 PE =Q V 이다. Q에 대해 풀면 (b) 0.2 s 동안의 전류는 (c) 전달되는 평균전력은 Dept. of Physics, CBNU

18-6 가정용 회로의 전력 퓨즈와 회로 차단기는 전류가 안전 기준을 넘으면 회로를 개방하는 스위치이다. 퓨즈와 회로 차단기는 전류가 안전 기준을 넘으면 회로를 개방하는 스위치이다. Dept. of Physics, CBNU

예제 18.8 퓨즈가 끊어질까? 회로의 장치들이 쓰는 전체 전류를 구하라. 풀이: 각 장치에는 동일한 120 V 가 걸린다. 각 장치에 공급되는 전류는 I = P/V 로 구한다. 전구: I = P/V =100 W/120 V = 0.8 A 히터: I = 1800 W/120 V = 15 A 증폭기: I = 175 W/120 V = 1.5 A 헤어드라이어: I = 1500 W/120 V = 12.5 A 전체 전류는 0.8 A+ 15 A+1.5 A+12.5 A = 29.8 A Dept. of Physics, CBNU

18-7 교류 직류 (DC): 전지를 회로에 연결하면 일정한 전류가 한 방향으로 흐른다. 교류(AC): 발전소의 발전기는 사인함수 모양의 전류를 생산한다. 교류의 전압 교류의 전류 Dept. of Physics, CBNU

저항 R에서 변환되는 전력 평균 전력 전류와 전압의 평균값 전류, 전압의 평균값으로 나타낸 평균전력 Dept. of Physics, CBNU

예제 18.9 헤어 드라이어 (a) 120 V 교류에 연결된 1500 W 헤어드라이어의 저항과 봉우리 전류를 계산하라. (b) 이것을 영국에서 240 V 에 연결하면 무슨 일이 일어나는가? 풀이: (a) 우선 rms 전류를 구하면 (b) 240 V 에 연결하면 전류가 커지고 온도가 올라가 저항도 변한다. 변환전력을 동일한 저항에서 추정하면 이것은 헤어드라이어 전력 규격의 4배이다!! Dept. of Physics, CBNU

18-8 전류의 미시적 관점 도선 속의 전자는 온도에 의해 고속으로 이리저리 움직인다. 도선에 전기장이 있으면 전자는 힘을 받아 가속되고 일정한 평균속도, 즉 유동속도 vd 에 도달한다. 유동속도는 전자의 마구잡이 속력보다 매우 느리다. 유동속도는 도선의 전류와 단위 부피당 전자의 개수와 관련이 있다. Dept. of Physics, CBNU

예제 18.10 도선 안의 전자 속력 지름 3.2 mm 의 구리도선에 5.0 V 의 전류가 흐른다. 자유 전자의 유동속도를 구하라. 구리원자당 전자 하나가 자유롭게 움직인다고 가정하라. 풀이: 구리의 원자질량은 63.5 u 이므로 63.5 g의 구리 원자에는 6.02 1023 개의 자유 전자가 있다. 구리의 부피를 구하기 위해서는 구리의 질량밀도 D = m/V= 8.9103 kg/m3 을 사용한다. 단위 부피당 자유 전자의 수는 유의: 금속 안에서 돌아다니는 전자의 실제 속력은 1.6106 m/s 로 추정되며 유동속도보다 매우 빠르다. Dept. of Physics, CBNU

18-9 초전도체 * 초전도체: 0 C 보다 훨씬 낮은 온도에서 특정 금속과 화합물 도는 합금의 비저항이 0이 되는 물체 1911년 네덜란드 물리학자 온네스가 수은에서 발견 초전도 현상은 특정온도 이하에서만 나타나는데 이러한 온도를 전이온도 혹은 임계온도 TC 라고 함 온도가 임계 온도인 TC 이 하가 되면 초전도체의 비저항은 0이 된다. TC 이상에서는 비저항이 ‘정상적’인 값으로 점프하여 대부분의 물질들처럼 온도가 높 아지면 증가한다(식 18.4). Dept. of Physics, CBNU

18장의 요약 전지는 일정한 전위차를 공급하는 근원이다. 전류는 단위 시간당 전하의 흐름이다. 전류의 방향은 양(+)의 전하의 흐름의 방향이다. 저항은 전압과 전류의 비례인자이다: V = IR 옴의 법칙을 따르는 물체는 전압에 관계없이 일정한 저항을 가진다. 저항은 물질의 종류와 모양에 의해 결정된다:  는 비저항이다. 전기회로에서 변환된 전력은 P = IV 이다. Dept. of Physics, CBNU

18장의 요약 직류는 일정하다. 교류는 시간에 대해 사인함수꼴로 변한다. 평균 (rms) 전류와 전압: 전류와 유동속도와의 관계: Dept. of Physics, CBNU