전기와 전도 옴의 법칙 저항 저항의 식별 저항의 수열 가변 저항 단락과 개방 접지 전력 정전기 저항성 소자 용량성 소자

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2 전기와 전도 옴의 법칙 저항 저항의 식별 저항의 수열 가변 저항 단락과 개방 접지 전력 정전기 저항성 소자 용량성 소자
목차 전기와 전도 옴의 법칙 저항 저항의 식별 저항의 수열 가변 저항 단락과 개방 접지 전력 정전기 저항성 소자 용량성 소자 커패시터 자기장과 유도성 소자 인덕터 인덕턴스

3 전기와 전도 도체내의 전자를 움직이게 하는 힘-전기적 에너지가 형성된다. 도전체는 자유전자를 갖는 물질
전형적인 도전체는 구리 이다. 전기는 전하 의 흐름이다. 전자는 음 으로 충전된 입자이다. 전자는 양 전하에 견인력을 받는다. 전류- 일정 시간동안 특정 점을 통과하는 전하의 Coulomb 값 1 Coulomb = x 1018 개의 전자가 갖는 전하이다. 전류[A]는 1초간 흐른 전하의 Coulomb 값[Coulomb/sec] 예제] 어떤 도체내에서 1 초당 x 1018 개의 전자가 흐르고 있을 때 전류의 세기가 몇 암페어인지 계산하여라 전지의 두 단자 사이에는 전위차 (혹은 전압차)가 존재한다. 전지의 두 단자 사이에 도전체를 연결하면 전위차이에 의해서 전자 가 -ve 로부터 +ve 로 이동한다-즉, 전류가 흐른다. 흐르는 전류의 양은 전위차에 비례한다.

4 옴(Ohm)의 법칙 1827년 Georg Ohm(독일)은 일정한 온도에서 도체를 흐르는 전류 I 는 도체 양단의 전위차 V 에 비례한다는 사실을 발견-전압, 전류 및 저항 상호간의 관계 V = I . R 물질 내에서 전하의 흐름을 방해하는 인자를 저항이라고 부른다. 저항은 재료, 길이, 단면적 및 온도에 의존적이다. R = r l / A 저항 R, 저항율 r, 길이 l, 단면적 A 저항율이 낮은 금속 : 은(Ag), 동(Cu) 저항율이 높은 금속 : 니크롬(Ni-Cr) [예제] 좌측의 회로에 인가된 전압 V=10 [Volt] 에서 전류 I = 0.1 [A] 일 때 저항 R 의 값을 구하여라

5 저항 약자 : R 단위 : ohm [W] 역할 : 저항은 자신을 통과하는 전자로부터 에너지를 흡수하여 열로 발산
전자기기가 작동중일 때는 만지지 말 것 - 뜨거울 수도 있다. 용도 : 전기 회로에 공급될 전류 (전자의 흐름)의 양을 제어 저항의 사용 예 전기난로에서 저항선(전열선)은 열을 발산한다. 전구에서 저항선(필라멘트)은 가열되어 빛을 발산한다. DC모터의 속도(전류)를 조절하기 위하여 저항을 사용한다.

6 저항의 식별 색상기호 색 흑 갈 적 등 황 초 청 보 회 백 수 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
색 흑 갈 적 등 황 초 청 보 회 백 수 승 저항의 용량 : 1,2선은 수로 3선은 승으로 읽는다 예 등백적 = 3900 = 3.9kW 예 황보갈 = 470 W 예 회적초 = 82x105 =8.2MW 예 청회등 = 68x103 = 68kW 저항의 오차-우측 마지막 선의 색으로 판별 갈색 1%, 금색 5%, 은색 10% 저항의 용량 : 일반 기판용 저항은 1/4W

7 저항의 수열 모든 종류의 저항이 생산되는 것은 아니다.
로그수열을 사용하여 생산되는 저항값을 규정 위의 수열표에 승수(x1, x10, x102, x103….)를 곱한 값의 저항은 일반적으로 용이하게 구할 수 있으나 그 외의 크기는 구하기 용이치 않음 정밀저항(오차율 1%이하)의 식별시에는 1,2,3선을 수로 4선을 승으로 읽는다.

8 가변저항 저항값을 변화시킬 수 있는 가변형 저항(전위차계)
½회전, 1회전, 10회전형 및 직선 운동형 등 정밀도와 용도에 따라 다양한 유형 고정형 저항에 비하여 저항 안정성이 취약 고정형 저항과 직렬로 연결하여 가변성과 정밀도를 동시에 획득할 수 있다.

9 단락과 개방 단락 : 도선으로 연결되어 저항이 0인 상태 개방 : 도선이 끊어져 저항이 무한대인 상태 R 개방 단락

10 접지 회로 내에서 절대적인 전위를 정의할 수 없다.
회로 내에서 임의의 한 점을 기준전위(0 Volt)로 삼고 다른 부분의 전위를 이에 대한 상대적인 차이로 나타낸다. 일반적으로 음극 단자를 접지로 삼는다. 대지접지(earth ground) : 대부분의 전기 기기는 대지(earth)를 통해 접지한다. 섀시접지 : 차량 내부 회로들은 섀시(Chassis)를 기준접지로 사용 세탁기와 같은 경우는 섀시접지와 대지접지를 병행

11 전력 전력은 단위시간당 얼마나 많은 일(어떤 종류의 에너지가 다른 종류의 에너지로 변환되는 과정)을 하는가를 표시하는 단위
전력의 전기단위는 watt 1 watt [W] = 1 joule/second [J/s] 전력 : P=일/시간=전압x전류 전열선에 전류를 흘렸을 때 발열 에너지 H = I2 . R . t [J] = 0.24 I2 . R . t [cal] 1 [cal] = 물 1 gram 을 1 oC 높이는 데 필요한 열량 전열선에서 1초간 발열 되는 에너지:전력 P = H/t = I2 . R = V . I [W] 예제 20oC의 물 1.2 리터를 500 W 의 전기 포터를 사용하여 60oC 까지 가열하는 데 걸리는 시간은?

12 정전기 동전기 : 도체 내의 전하운동 정전기 : 부도체의 마찰시 발생하는 마찰전기
금속에서는 전기 발생시 도체를 타고 흐르기 때문에 정전기현상이 거의 일어나지 않는다. 정전기 : 부도체의 마찰시 발생하는 마찰전기 명주, 유리봉, 모피, 플라스틱 등의 절연불질에 의해 잘 대전된다. 전자를 잃은 물질은 양전하로 대전되고, 전자를 얻은 물질은 음전하로 대전된다. 정전유도 : 양전하 또는 음전하로 대전된 물체에 도체를 가까이하면 반대극성의 전하가 유도된다. 이에 따라 정전 흡인력이 발생한다. 쿨롱의 법칙 : 정전 흡인력의 정량화 된 계수 두 전하 사이의 전기력은 전기력선으로 표시 양전하에서 나와 음전하로 향함 분포 밀도에 의해 전장의 세기 표시

13 저항성 소자 도체내의 순 전하는 총합이 0으로서 전기적으로 중성이 유지된다.
금속 이온은 절대온도에 비례하는 평균 에너지로 열진동을 한다. 일정 비율의 최외곽 전자가 떨어져 나가 자유전자가 된다 자유전자의 산란(random or Brown motion) 전장 E=0인 경우 전자의 평균 이동속도는 0 균일한 전장의 존재 시 전자는 전장 E에 비례하는 평균 등속운동 U=mE, m:전자의 이동도(mobility) 저항은 에너지를 생성하거나 저장하는 능력이 없이 외부전원으로부터 공급되는 전력을 소모한다

14 용량성 소자 전기장을 형성하여 공간적으로 전하를 따로 떼어놓으면 전기장이 유지되어 에너지 저장이 가능
용량,유도소자 외부 전원으로부터 공급받은 에너지를 소모하지 않고 저장하는 소자 저항과 결합하여 다양하고 복잡한 형태의 전기에너지 제어가 가능 용량성 소자(capacitive element)-전기장을 형성하여 에너지를 저장 유도성 소자(inductive element) -자기장을 형성하여 에너지를 저장 전기장을 형성하여 공간적으로 전하를 따로 떼어놓으면 전기장이 유지되어 에너지 저장이 가능 전기장 양전하와 음전하가 분리되면 전기장이 형성된다. 전기장은 에너지를 저장한다 : 에너지 E=Q/eA, e =유전율(permittivity) e = er . eo , eo = 8.85x10-12[F/m]

15 용량성 소자-커패시터 커패시터는 절연물질에 의해 분리된 두 개의 평행한 도전판으로 구성된다.
아래 그림에서 스위치가 닫히면 상판의 원자구조 내에 있던 최 외곽 전자들이 저항을 통과하여 전원의 양극에 흡수된다. 초기상태에서의 전류 변화는 저항에 의해 제한된다. 상판은 전자를 빼앗겨 양극성을 띄게 된다. 전원의 음극에서 유출된 전자는 하판에 집적되어 하판은 음극성을 띄게 된다. 커패시터에 전하가 축적되는 과정을 충전이라 한다. 커패시터가 완전히 충전되면 폐회로를 마치 단락된 회로처럼 만든다(더 이상 회로내에 전류가 흐르지 않는다) 커패시턴스(C : capacitance)는 커패시터가 전하를 충전할 수 있는 능력을 나타낸다.

16 커패시터 평행한 두 도전판 사이에 채우는 절연물질을 절연체(dielectric)라고 부른다.
절연체의 성질에 따라 충전될 전하의 양이 결정된다. 커패시턴스의 용량은 도전판의 크기(면적), 두 판 사이의 거리 및 절연체의 종류에 의해 결정된다. C = eA/d : e 는 유전율(permittivity)상수 e = er . e o 이며 e o 는 진공상에서의 유전율 상수 er 는 절연체의 비유전율(relative permittivity)상수 e o = 8.85x10-12 이며 er 는 재료에 따라 1 에서 7500 사이이다. 커패시터의 용량을 표시하는 단위는 패럿(farad)이다 실제적으로 1F는 비현실적으로 매우 큰 값이므로 보통 mF(10-6 F)단위를 사용한다. 커패시턴스가 1 farad [F] 이면 1V 전압하에서 1 coulomb [C] 의 전하를 두 평행판 사이에 축적할 수 있음을 의미한다. C = Q / V 커패시터에 충전된 에너지: Wc = ½ C.V2 [J] 커패시터의 종류 : 마일러, 세라믹, 전해, 탄탈륨, 폴리에스터 전해 커패시터는 극성이 있다. 극성을 바꾸어 연결하면 폭발!!

17 커패시터의 식별 전해 커패시터 : 원통형 알루미늄 몸체 음극표시, 사용한계 전압과 용량 표시 - 극성에 유의!
세라믹 커패시터 : 접시형 갈색몸체 몸통에 숫자표시, 극성없음 탄탈 커패시터 : 다양한 형상, 다양한 색상, 몸통에 숫자표시 숫자식별법 : 예 683 = 68x103 [pF] = [mF]

18 커패시터의 연결 병렬연결은 커패시터의 용량을 증가 시킨다. CT = C1 + C2 + C3 + . . .
병렬연결은 커패시터의 용량을 증가 시킨다. CT = C1 + C2 + C 직렬연결은 커패시터의 용량을 감소 시킨다. 1/CT = 1/C1 + 1/C2 + 1/C

19 자기장과 유도성 소자 영구자석의 주위에는 자기장(magnetic field)이 형성된다.
자기장은 자속선(flux line)으로 표시한다. 주어진 영역 내에 자속선의 갯수를 자속밀도(flux density : B)라 한다 자속(magnetic flux : F )의 단위는 weber [Wb] 1 Wb = 진공중 1 m 거리에 있는 두 자극이 서로 당기는 힘이 6.33 x 104 [N] 도선에 자기장을 가하면 전류가 생성된다(렌즈의법칙) 도선에 전류를 흘리면 도선 주위에 자기장이 형성된다. 암페어의 오른손 나사 법칙(자기장의 방향)

20 Electromagnetics 전자력(electromagnetic force) 전자유도 도선에 자기장을 가하면 전류가 생성된다
자계 내에 전류가 흐르는 도체를 두면 도체는 힘을 받는다 :전자력 F = B.I.l.cosq 자속밀도 : B 전류 : I 자계내의 도선 길이 : l 플레밍의 왼손법칙 : 전류, 자속 및 작용력 사이의 상관관계 표시 전자유도 도선에 자기장을 가하면 전류가 생성된다 유도되는 전압 = 유도기전력 유도되는 전류 = 유도전류 (a) 유도전압 = 자속의 변화속도와 코일의 권선수의 곱 e = N. df/dt (b) 유도전압 = 자속밀도, 자속내 도선의 길이/속도의 곱 e = B.l.v 유도기전력의 방향 : 플레밍의 오른손 법칙

21 인덕터 도선을 감아 코일(인덕터)을 만들어 전류를 흘리면 자기장이 형성되며 자성물질(철)을 코어로 하여 코일을 만들면 훨씬 강한 자기장이 생성된다. 강자성체 : 철, 코발트, 니켈, 망간 등 상자성체 : 알루미늄, 주석, 백금 등 반자성체 : 금, 은, 동, 아연, 수은, 탄소 등 코일 내를 흐르는 전류가 변하면 인덕터는 전류의 변화에 저항하는 전압을 발생시킨다. (Lens’s Law) V = L.di/dt 전류가 빠르게 변할수록 유도되는 전압은 크다. 인덕턴스의 단위 : henry [H] 코일의 인덕턴스 : L=N2mA/l [H] N : 코일의 권선수 m : 코어의 투자율 A : 코어의 단면적 l : 코일의 길이

22 ... 인덕턴스 LT= L1 + L2 + L3 1/LT = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 3 kW 2 6 m H 1 5 V
- i ... n 인덕터를 직렬로 연결하면 인덕턴스가 증가한다. LT= L1 + L2 + L3 인덕터를 병렬로 연결하면 인덕턴스가 감소한다. 1/LT = 1/L1 + 1/L2 + 1/L3 다음 회로의 인덕턴스를 계산해 본다 이상적인 인덕터는 에너지를 소모하지 않는다 에너지를 자기장의 형태로 저장한다. 인덕터에 저장되는 에너지 : W = ½ .L.I2 [J] 다음 회로내를 흐르는 전류가 최종값에 도달하였을 때에 인덕터에 저장된 에너지를 구하시오 6 mH 5 3 8 3 kW 2 6 m H 1 5 V