2장 정전계 (靜電界) 2.1 전하의 정전력 2.2 전계 2.3 전류와 전류 밀도 2.4 전압과 기전력 2.5 저항

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1 2장 정전계 (靜電界) 2.1 전하의 정전력 2.2 전계 2.3 전류와 전류 밀도 2.4 전압과 기전력 2.5 저항 2.6 옴의 법칙 2.7 저항의 연결 2.8 키르히호프 법칙 2.9 줄열과 전력 2.10 열전현상

2 2장 정전계(靜電界) 정전계란 ? 전하들이 공간에 모여서 움직이지 않고 정지해 있는 상태를
말한다. 공간에 전하가 모여 있는 경우는 다음 4가지가 가능하다. 전하들이 한점에 모여 있는 경우 –점전하라 함 전하들이 선에 모여있는 경우 –선전하라 함 2. 전하들이 표면에 분포되어 있는 경우 ( 도체의 경우 해당됨) 3. 전하들이 부피에 분포되어 있는 경우 본 에선 전하들이 공간에 구속되어 정지해 있는 상태에서 나타나는 전기적인 현상들에 관해 학습한다.

3 2.1 전하(電荷)와 정전력 (靜電力) 2.1.1 전하(電荷) 전하 – 전기적 성질을 나타내는 특성 두 종류가 있으며, 편의상 “+” 와 “-” 로 구분. 양자의 전하는 “+”로, 전자의 전하는 “-”로 표시 양자와 전자는 전하의 크기는 같으나 부호는 다름 부호가 다른 전하간에는 인력, 같은 전하간에는 척력이 작용 전하량 ; 전기의 양을 말함. 전하량의 단위는 쿨롱. 대문자 “C” 로 표시 (전기의 인력과 척력에 관한 법칙을 수립한 “Coulmb”을 기념)

4 전자의 전하량 e = × C 참고 ; 1 [A]의 전류란 매초에 1 C의 전하량이 통과한다는 뜻이다. 매초 몇 개의 전자가 이동되는가 ?  전자 1개의 전하량은 1.60 × C 임 X 개의 전자가 있어야 1 C의 전하량이 된다면,  1.60 × C × X = 1 C  X = 1 C / ( 1.60 × C ) = / 1.6 = 6.25 × 1018 개 단위 ; 백만, 억 백억, 조, 경  -1 C의 전하량은 625 경 개의 전자의 전하량을 합한 값이디.

5 r 2.1.2 정전력 (靜電力) Q2 [C] Q1 [C] 정전력 ; 정지해 있는 전하들간에 작용하는 힘.
점전하 Q1 [C] 과 점전하 Q2 [C] 가 거리 r 만큼 떨어져 있을 때 작용하는 힘 F [N]은 ; r Q1 [C] Q2 [C] 전하 Q1 [C] 과 Q2 [C] 의 부호가 같으면 서로 밀치게 되고 (척력), 부호가 다르면 서로 끌어 당긴다 (인력).

6 r 2 Q1Q2 1  F = · 4pe 유전율 e 의 의미는 무엇인가 ?
►똑같은 조건이라도 공기 중에서의 힘과 매질 속에서의 힘은 같지 않다. ► 예를 들어 똑같은 조건에서, 전하가 공기 중에 있을 때와 전하 사이가 물로 채워져 있을 때의 힘은 공기 중에 있을때 보다 약 80배 작다. ►유전율은 전하들이 위치해 있는 매질의 특성에 의해 결정되며, 매질을 유전체라고 함. e = e0 · er 로 정의한다.

7 r 2 r 2 r 2  F = · Q1Q2 4pe 1 = · 4p e0 er F = · Q1Q2 4p e0 er 1 = ·
e = e0 · er 로 정의한다. e0 ; 진공에서의 유전율 값, er ; 비유전율로, 진공에서 유전율에 대한 상대 비율임.  F = · r 2 Q1Q2 4pe 1 = · 4p e0 er 진공과 공기 중에선, er =1 이 되어, F = · r 2 Q1Q2 4p e0 er 1 = · r 2 Q1Q2 4p e0 1 (e0 = 8,854 × [N ·m2/C2])

8 r 2 진공과 공기 중에선, er =1 이다. Q1Q2 F진공 = 9 × 109 표 4.1 물질의 비유전율 물질 비유전율 er
1.0006 운모 파라핀 유리 종이 석영 8.3 물 80.7 고무 니크롬 150×10-8 각각의 전하량도 같고 거리도 같은 상태라면, 물에서 정전력은 진공에서 보다 80.7배 작다. 운모에서는 배 작고, 석영은 8.3배 작다.

9 예제 2.2) 진공 중에서 점전하 Q1 = 4 × 10-12 [C] 과 Q2 = 9 × 10-12 [C] 가
5 [cm] 만큼 떨어져 있을 때 두 전하 사이에 작용하는 정전력은 얼마인가 ? 예제 2.2) 에서 이들 전하가 물속에 있으면 정전력은 얼마가 되는가 ? 기출문제 1.) 공기 중에 Q1 = 10 [mC] 과 Q2 = 20 [mC] 전하가 1 [m] 만큼 떨어져 있을 때 두 전하 사이에 작용하는 정전력은 몇 [N] 인가 ? (소방 96)

10 기출문제 2.) 공기 중에 Q1 = 10 [nC] 과 Q2 = 100 [pC] 전하가 100 [mm] 떨어져 있을 때 두 전하 사이에 작용하는 정전력은 몇 [nN] 인가 ? (전기기사 96,00) 던위; 1 m = 10 × ; 마이크로 (micro) 1 n = 10 × ; 나노 (nano) 1 p = 10 × ; 피코 (pico)

11 2.2 전계 2.2.1 전기력선 구형의 전구가 빛을 밝히면, 빛은 모든 방향으로 퍼져 나간다. 이를 광선(光線 - 빛의 선) 이라고 한다. 광선에 닿기만 하면 밝음을 본다. 전구는 광선을 통해서 에너지를 전파하기 때문이다. ► 전하도 전구처럼 생각할 수 있다. ► 전하도 광선이 나가며 이를 “전기력선” 이라 함. ► 다른 전하가 전기력선에 놓이기만 하면 그 전하는 힘을 전달받는다. 즉, 전기력선을 통해서 힘을 전해준다. 그래서 역선(力線) 이라함. ► “+” 전하에선 전기력선이 나가고, “-” 전하는 전기력선이 들어온다. ► 같은 전하끼리의 전기력선은 서로 밀친다.

12 2.2 전계 2.2.1 전기력선 + 전기력선이 퍼져 있는 “전계”라고 함.

13 -

14 r 2 2.2 전계 2.2.1 전계의 세기와 전위 E = · Q 4p e0 er 1 = · 4p e0 = 9 × 109
2.2.1 전계의 세기와 전위 전하는 전기력선을 분출하여 전계를 공간에 형성한다. 전하 +Q가 만드는 전계의 세기 E 는 다음과 같이 정의한다; 전하 +Q가 만든 전계가 거리 r 되는 지점에서 세기 진공과 공기 중에선, er =1 이 되어 E = · r 2 Q 4p e0 er 1 = · 4p e0 = 9 × 109

15 r +Q2 +Q1 전기력선은 힘의 선이다. 전하 +Q1가 만드는 전계에 다른 전하가 놓이면 힘을 전달 받게 된다.
공간에 전계를 형성하고 있다. +Q2 2. 전하 +Q1로 부터 거리 r 되는 곳에 전하량이 Q2인 물체가 놓여졌다. r 3. 전하 Q2 은 얼마만큼의 힘을 전달 받는가 ? +Q1 F = Q2 E  E는 전계의 세기 전계의 세기 E 의 단위; [N/C] 혹은 [V/m]

16 ► 전계의 세기 E 의 단위; [N/C] 혹은 [V/m]
두 가지 단위를 사용한다. [N/C] 단위 ; N은 newton인 힘의 단위이고 C는 쿨롱인 전하량의 단위 [V/m] 단위 ; V는 전압 볼트의 단위이고 m은 거리의 단위인 미터. 공학적으론 전압과의 관계가 중요하기 때문에 [V/m] 단위를 쓴다. 예제 2.4) 진공 중에서 전계의 세기 E 가 3 × 103 [V/m] 인 곳에 Q = 5 × 10-4 [C] 인 전하를 옿았을 때 전하 Q에 작용하는 정전력 ? 기출문제 3.) Newton/Coulmb 과 동일한 단위는 ? (소방 97,01) 기출문제 4.) 공기 중에 1 ×10 -7 [C] 의 전하가 있을 때 15 [cm] 되는 곳에서 전계의 세기는 몇 [V/m] 인가 ?

17 기출문제 5.) +20 [C], -10 [C] 의 전기량을 가진 두 대전체를 그림과 같이 B 와 C 점에
놓았을 때 전기장(잔계)의 세기가 0 이 되는 곳은 ? (소방 98) A와 B 사이 2. B 와 C의 중심 B 에서 C 쪽으로 1/3 되는 지점 C 와 D 사이 A B C D +20 [C], -10 [C]

18 ► 전기력선의 밀도 전기력선의 밀도는 단위면적 ( 1 m2) 에 몇 개의 전기력선이 있는 가다. 예) 10 m2 에 개가 있으면 밀도 = 예) 100 cm2 에 200개가 있으면 밀도 = 전계의 세기 E 는 다음과 같이 쓸 수 있다;  n 은 전기력선의 수, S 는 면적  전계 세기 E 는 곧 전기력선 밀도이다.

19 예제) 공기 중에서 전하 Q 가 만드는 전기력선의 수를 구하시오
► 전기력선의 수와 전하량과의 관계 예제) 공기 중에서 전하 Q 가 만드는 전기력선의 수를 구하시오 전하 Q 에서 거리 r 인 곳을 생각해보자 그리고 반경 r 인 구면을 그려보자 전하 Q 에서 나오는 모든 전기력선은 전하 Q를 둘러 쌓고 있는 구면을 통과한다. Q 전하 Q 에서 거리 r 인 곳의 전계 E 는 그리고 전기력선 수 n = E × S

20 r 2 Q 1 E = · 4p e0 ► 전기력선의 수와 전하량과의 관계
전기력선 수 n = E × S  반경 r 인 구 표면의 면적 S = 4p r 2

21 기출문제 6. ) Q [C] 에서 나오는 전기력선의 총수를 구하시오. (단 e , E 는 전기유전율, 전계의 세기를 나타낸다
EQ Q/ e e / Q Q 예제 2.5) 공기 중에 × [C] 의 전하를 놓았을 때 나오는 전기력선의 수는 몇 개인가 ? ( 단 e0 = 8,854 × [N ·m2/C2])

22 ∫ 2.2.4 가우스 법칙 Q e0 Q E ds e n = E × S = 의 관계식을 일반화 시킨 것이 가우스 법칙. =
n = Q/e 이 된다. 여기서 전하 Q는 폐곡면 내부에 있는 전체 전하를 나타낸다.

23 예제) 반지름이 a 인 얇은 구 껍질에 전하 q 가 균일하게 분포되어 있다. 구 내부와 외부에서의 전계의 세기를 구하시오.
1. r < a  구 내부 E외부 구 내부에 반경 r 의 폐곡면(구면)을 그린다. a E내부 = 0  폐곡면 내부에는 전하가 없다 문제에서 전하는 구껩질에 분포되어 있다. E내부 2. r > a 이제는 구 외부에 반경 r 의 폐곡면을 그린다.

24  E외부 S = Q / e 의 공식에서, 구면 안에 전하 Q가 있다.
예제) 반지름 a 인 구에 전하 Q 가 균일하게 분포되어 있다. 구 내부와 외부에서의 전계의 세기를 구하시오.  전 문제에선, 전하가 구껍질에만 분포되어 있지만, 이번 문제에선 구의 체적 전체에 분포되어 있음에 유의해야 함. 1. r > a 구 외부에 반경 r 의 폐곡면을 그린다.  E외부 S = Q / e 의 공식에서, 구면 안에 전하 Q가 있다. E외부 반경 r 인 구의 표면적 S 는; S = 4p r2 a 반경 r 의 구면

25 2. r < a  구 내부 구 내부에 반경 r 의 폐곡면(구면)을 그린다. a r 구 내부에 그린 반경 r 의 구면
E내부 반지름 r 인 구의 부피 Vr = 4pr3 / 3 , 이 부피 속의 전하량은 ?

26 2.2.7 전위차 +Q -Q Q = C/ V  전위차 V = Ed
전위는 어떻게 발생하는가 ? 같은 부호의 전하들을 한 곳에 모아 놓으면 전위가 생김. “+” 전하들을 한곳에 모아 놓으면 주변보다 전위가 높아지고 “-” 전하들를 한곳에 모아 놓으면 주변보다 전위가 낮아진다. 즉, 전위의 차이가 ( 혹은 전압의 차익) 생긴다. 예) 콘덴서를 보자; 콘덴서는 두 개의 얇은 도체 판에 각각 “+” 와 “-” 극의 전하들을 저장해서 전위차를 만드는 장치이다. +Q -Q d E V Q = C/ V  전위차 V = Ed 각각의 판에 전하가 충분히 충전되면, Q = CV 관계식이 성립. 즉 두 판 사이에 전위차 “V” 가 발생한다.

27 2.2.7 전위차 전위의 정의; +Q 만큼의 전하량이 있다 거리 r 되는 곳의 전위 V는,
전계의 세기 E 와 거리 r 을 곱한 값이다. ; V = E · r r +Q 예) 공기 중에서 +1 [mC] 의 점전하로 부터 1 [m], 2 [m] 되는 곳의 전위는 ?

28 I = t J = S 2.3 전류, 전류 밀도 Q 전류는 초당 흘러간 전하량이다. I 전류밀도 J 는 2.4 전압, 기전력
전류의 단위 ; [A], 암페어 전류밀도는 면적 당 흘러간 전류로 정의; S I J = 전류밀도 J 는 전류밀도 J 의 단위 ; [A/m2] 2.4 전압, 기전력 전압 혹은 전위는 1 [V], 2 [V] 등과 크기를 나타내는 양을 말함. 기전력은 ; 건전지에 전구를 연결하면 불이 들어온다. - 이와 같이 건전지가 제공하는 전기적인 힘을 “기전력” 이라 한다.

29 2.5 저항 1m 저항률과 저항의 온도 계수에 관해 알아보자 2.5.1 저항률
저항률 r [W·m] 는 가로 1m, 세로 1m, 높이 1m인 도선의 저항으로 정의한다. 저항이 크면 클수록 전류는 잘 흐르지 못한다. 저항은 얼마나 전류가 잘 흐르지 못하는지에 대한 척도가 된다. 반대로, 저항의 역수는 얼마나 전류가 잘 흐르는가에 대한 척도가 되며 이를 도전율(conductivity) 이라 한다.

30 2.5.2 저항의 온도 계수 온도가 증가하면, 전자들의 운동이 활발해지기 때문에, 전자들간의 충돌 횟수가 증가해진다. 따라서 도체는 온도가 증가하면 저항도 증가한다. 저항의 온도 계수란; 온도가 증가함에 따라 증가하는 저항의 비율을 온도의 척도로 나타낸 것이다. 저항의 온도 계수는 온도 20o C 일때의 저항을 기준으로 하여, 온도에 대한 저항 값을 표시한다. 온도가 20o C의 저항을 R20 으로 두면, 온도 T 일때의 저항 을 RT 라면,

31 예제) 온도 60o C 일때 길이 1m, 면적 1m2 인 구리 도선의 저항을 구하시오.
표 2.1 금속도체의 저항률과 온도계수. 도체명 도전률 s (%) 온도계수 은(Ag) 104.2 0.0038 동(Cu) 100 알루미늄(Al) 64.5 0.0039 몰리브텐(Mo) 35.5 0.0033 아연(Zn) 27.7 0.0037 니켈(Ni) 24.5 0.006 철(Fe) 16.9 0.005 백금(Pt) 16.0 0.003 기준값 구리의 도전률은 5.8 × 107 [S/m] 임 예제) 온도 60o C 일때 길이 1m, 면적 1m2 인 구리 도선의 저항을 구하시오.

32 예제) 온도 60o C 일때 길이 1m, 면적 1m2 인 구리 도선의 저항을 구하시오.
표 2.1 에서 온도 20o C 일때 구리의 도전율은 5.8 × 107 [S/m] 온도 20o C 일때 저항 [W] 길이 1m, 면적 1m2 인이므로 l = 1 m, S = 1 m2 RT = R20 { 1 + a20 (T – 20) } 공식에서 온도 T = 60o C 일때

33 예제) 온도 60o C 일때 길이 1m, 면적 1m2 인 알루미늄 도선의 저항을 구하시오.
알루미늄 온도계수 a20 = 1m 2.6 옴의 법칙 저항,전압, 전류에 관계식 R = I V I = R V 전압 V = R I,

34 2.7 저항의 연결 저항뿐만 아니라 소자들의 연결에는 직렬연결과 병렬 연결이 있다.
직렬연결과 병렬 연결의 차이점과 해법을 알아보자; 1. 직렬 연결에선 각 소자에 흐르는 전류의 크기는 모두 같으나 각 소자에 걸리는 전압은 다르다. 2. 병렬 연결에선 각 소자에 걸리는 전압의 크기는 모두 같으나 전류는 다르다. 3. 전기회로는 직렬과 병렬 연결로 구성된다. ► 병렬연결 회로의 전체 저항을 구해서 하나의 저항으로 만든다. ► 전체 회로를 직렬연결 회로로 만든다. ► 전체 저항을 구하여 옴의 법칙을 사용해서 전류를 구한다.

35 - 2.7.1 직렬연결 직렬 연결에선 각 소자에 흐르는 전류의 크기는 모두 같으나 각 소자에 걸리는 전압은 다르다. + R1
I V1 V2 V 직렬 연결뙨 회로의 저항은 더하면 된다.  전체저항 R = R1 + R2  전류 I = V / (R1 + R2 ) = V / R 저항 R1 에서 소비하는 전압 V1 = IR1 저항 R2 에서 소비하는 전압 V2 = IR2 V = V1 + V2

36 2.7.1 직렬연결 직렬 연결에선 각 소자에 흐르는 전류의 크기는 모두 같으나 각 소자에 걸리는 전압은 다르다.
직렬 연결뙨 회로의 저항은 더하면 된다. 3.0 W 4.0 W 5.0 W V1 V2 각 소자예서 소비하는 전압은 ? 18 V

37 2.7.2 병렬연결 I 2. 병렬 연결에선 각 소자에 걸리는 전압의 크기는 모두 같으나 전류는 다르다. V
R1 R2 I I2 I1 a) 전전류 I 는 병렬인 저항 R1 과 R2 에서 갈라짐. b) 저항 R1 과 R2 에서 소모하는 전압은 같다. a) 전전류 I = I1 + I2 b) V = I1 R1 = I2 R2  I1 = R1 V , I2 = R2 저항 n개가 병렬로 연결되어 있으면 전저항 R 은 ; R 1 = ··· + R2 R1 R3 Rn

38 2.7.2 병렬연결 I 2. 병렬 연결에선 각 소자에 걸리는 전압의 크기는 모두 같으나 전류는 다르다. R1R2 R  R =
V V

39 2.7.3 직렬과 병렬연결의 예 예) 전저항과 각 소자에서 소비되는 전압과 전류를 구하시로. 18 V
2W 3W 6W 5W I1 병렬회로의 전저항 R’ 은 ; I I2 의 공식에서 I3 18 V 5W 1W I V1 V2  전저항  전전류 5 [W] 에 걸리는 전압 V1 = 병렬회로에 걸리는 V2 =

40 2.7.3 직렬과 병렬연결의 예 병렬 회로에 흐르는 전류는 ; 각 병렬회로에 모두 3 [V] 걸리므로,

41 기출문제 24 저항 20 W 과 유도리액턴스 30 W 을 병렬로 접속한 회로에 220 [V] 교류 전압을 다할 때 전전 류는 몇 [A] 인가? (소방97)
İR İL İ

42 기출문제 25 그림과 같은 회로에 교류전압 30 [V] 를 가할 때 전전류는 몇 [A]인가? (소방97,98)
4W 3W 5W İ

43 2.8 키르히호프의 법칙 키르히호프의 법칙은 폐회로의 전류와 전압에 관해 지금까지 적용하던 풀이 방식을 정리한 것으로 전류법칙과 전압 법칙이 있다. 2.8.1 키르히호프의 전류 법칙 폐회로(closed circuit)와 개회로(open circuit) V V R 폐회로 개회로 폐회로 ; 전류가 완전히 한 바퀴 돌아서 제자리로 돌아올 수 있는 회로 개회로 ; 전류가 제자리로 돌아올 수 없는 회로

44 분기점에서 나간 전류의 합은 들어온 전류의 합과 같다.
24 V 2.0 W 4.0 W 3.0 W 12 V 5.0 W 1.0 W 폐회로 개회로 분기점 ; 전류가 갈라지는 곳을 말함. 혹은 접점(junction) 이라고도 함. 아래 회로에서 분기점은 ? 18 V 2W 3W 6W 5W I I3 I1 I2 4W 3W 5W 키르히호프의 전류 법칙; 분기점에서 나간 전류의 합은 들어온 전류의 합과 같다.

45 예제) 전류 I를 구하시오 ? 8 [A] 5 [A] I 10 [A]

46 2.8 키르히호프의 법칙 2.8.2 키르히호프의 전압 법칙 전압법칙; 폐회로에서 전압은 폐회로의 저항에서 완전히 소모되어야 한다. 다른 표현1.; 폐회로에서 전압의 합과 저항에서 전압강하의 합은 같다. 다른 표현2.; 폐회로에서 전압과 전압강하의 총합은 “0”이다. 3.0 W 4.0 W 5.0 W  전체저항 R = 12 W, 전류 I = 1.5 [A] 각 소자예서 소비하는 전압은 ? V1 V2 V3 V1 = I R1 = 1.5 [A] × 3.0 [W] = 4.5 V V2 = I R2 = 1.5 [A] × 4.0 [W] = 6 V V3 = I R3 = 1.5 [A] × 5.0 [W] = 7.5 V 18 V 위의 회로는 폐회로이다. 기전력 18 [V]가 저항에서 모두 소모된다. 각 저항에서 소모되는 전압을 모두 더하면, 즉 V1 + V2 + V3 = 18 [V]

47 ► 키르히호프 법칙의 정리 전류법칙; 분기점에서 나간 전류의 합은 들어온 전류의 합과 같다. 전압법칙; 폐회로에서 전압은 폐회로의 저항에서 완전히 소모된다. · 키르히호프의 법칙을 통한 회로 분석 방법 분기점에서 전류를 분기한다. 폐회로를 선택한다. 폐회로에 분기된 전류를 표시한다. 전압법칙을 적용해서 방정식을 세운다.

48 1. 분기점에서 전류를 분기한다. 2. 폐회로를 선택, 3. 분기전류 표시
· 키르히호프의 법칙을 통한 회로 분석 방법 1. 분기점에서 전류를 분기한다 폐회로를 선택한다. 3. 폐회로에 분기된 전류를 표시한다. 4. 전압법칙을 적용한다. 예) 아래 회로에서 각 저항에 흐르는 전류를 구하시오. I 2.0 W 1. 분기점에서 전류를 분기한다. 전전류를 I 라 하면, 분기점에서 I1, I2로 분기된다. I = I1+ I2 24 V 4.0 W 3.0 W I1 2. 폐회로를 선택, 3. 분기전류 표시 I1 I2 24 V 2.0 W 4.0 W 3.0 W I I1 2 2.0 W 4.0 W 5.0 W 1.0 W 1 I I2 12 V 1.0 W 24 V 5.0 W 12 V 3.0 W 5.0 W 1.0 W I1 I2 3 12 V

49 · 키르히호프의 법칙을 통한 회로 분석 방법 4. 전압법칙을 적용한다.
2.0 W 4.0 W 5.0 W 1.0 W 1 I I2 12 V 3.0 W 5.0 W 1.0 W I1 I2 3 24 V 2.0 W 4.0 W 3.0 W I I1 2 1번 회로; 24 V + 12 V = 2I + 4I + I2 + 5 I2 = 6I + 6 I2 --> 6 = I + I2 2번 회로; 24 V = 2I + 4I + 3I1 --> 8 = 2I + I1 3번 회로; 12 V = - 3I1 +I2 + 5I2 --> 4 = - I1 + 2I2 --> 기본 방정식이 하나 더 있다; I = I1 + I2 정리하면; I = I1 + I2, 6 = I + I2, 8 = 2I + I1, 4 = -I1 + 2I2 풀면, 6 = I1 + 2I2, 8 = 3I1 + 2I2, 4 = I1 + 2I2 I = 3.5 A , I1 = 1.0 A, I2 = 2.5 A

50 2.9 줄열과 전력 2.9.1 줄의 법칙 · 저항에서 전압이 소모되고 이는 열로 발산한다.
· 즉, 전기적 에너지가 열에너지로 변환된다. · 줄의 법칙은, 전기적 에너지를 열에너지로 환산하는 공식 줄의 법칙; 전류 I 가 저항 R 예 t초 동안 공급되면, 발생한 열량 H는 H = I2Rt [J] ; 에너지 단위는 Joule 임. ► 두 가지 에너지 단위 열량 단위 ; [cal] --> 칼로리 역학 단위 ; [J] --> 줄 1 cal = 4.2 J, 혹은 1 J = 0.24 cal  H = I2Rt [J] =0.24 I2Rt [cal]

51 2.9 줄열과 전력 2.9.1 줄의 법칙 예) 100 [V] 전압으로 2 [A] 의 전류를 30분 동안 공급하면
전기적 에너지는 몇 [J] 인가 ? H = I2Rt [J] = (IR)It [J] = VIt [J] = 100 × 2× 30 × 60 = 360,000 [J] = 360 [KJ] --> [cal] 단위로 환산하면, H = 0.24 × 360,000 [cal] = 86.4 [Kcal] 2.9.2 전력 · 전력은 1 초 동안 공급된 전기에너지로 정의한다. · 전력은 영어로 power 여서 전력의 표시는 P 로 한다. · 전력의 단위는 [J/s] 이지만 특별히 [W] (watt)를 씀 P = H / t = I2R [W] = VI [W]

52 2.9 줄열과 전력 · 줄열과 전기누전 전선에 전류가 흐르면, 전선의 저항으로 인해 전선에는 줄열이 발생한다.
줄열은 전류의 제곱에 비례하므로 전류의 증가하면, 전선에 열의 발생이 급속히 증가하게 증가한다. 때에 따라서는 열로 인해 전선에 입힌 피복이 타게 되어 전기누전으로 화재가 발생한다. 따라서 전선의 굵기는 흐르는 전류의 크기와 적절하게 맞아야 한다. 표 2.1 동선의 허용전류 굵기 (mm2) 허용전류 [A] 0.4 3 0.5 4 0.75 7 0.9 8 1.25 12

53 2.10 열전현상 2.10.1 제벡 효과 ►종류가 다른 두 금속을 접합하여 열을 가하면 두 금속에 온도차 생긴다.
►온도가 높은 쪽의 금속에서 낮은쪽의 금속사이에 기전력(전압)이 생겨서, ►온도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 전류가 흐른다. ►이를 제벡 효과(Seebeck effect)라 하며 온도 측정에 활용한다. ►기전력을 열기전력, 전류를 열전류라고 한다. ►두 금속 쌍을 열전대 (thermo-couple)라고 함. 구리 콘스탄탄 T1 T2 구리-콘스탄탄 열전대 예) 구리-콘스탄탄의 경우에 100oC 온도차가 생기면 약 4.3 [mV]의 기전력이 발생해서 고온의 콘스탄탄에서 구리로 열전류가 흐른다.

54 2.10 열전현상 2.10.1 제벡 효과 2.10.2 펠티에 효과 ►제벡효과와 반대되는 현상
구리 콘스탄탄 T1 T2 구리-콘스탄탄 열전대 표 2.3 열전대의 종류 열전대 허용범위 백금-백금· 로듐 0 ~ 1,760 oC 알루멜-크로멜 -100 ~ 1,400 oC 구리-콘스탄탄 -200 ~ 400 oC 펠티에 효과 ►제벡효과와 반대되는 현상 ►종류가 다른 두 금속에 전류를 흘려주면 한쪽 접속점은 온도가 올라가고 한쪽은 온도가 낮아진다. ►온도가 높은 쪽의 금속에서 낮은 쪽의 금속으로 열이 흐른다. ►전류 방향을 바꾸어주면 열의 발생부와 흡수부가 바뀌게 된다. ►대표적 예가 저온을 얻는 전자냉동이 있음,

55 톰슨 효과 ►같은 금속이라도 접점에 온도차가 생기면 고온에서 저온으로 전류가 흘러 열의 흡수와 발생이 생긴다. ►전류 방향을 바꾸어주면 열의 발생부와 흡수부가 바뀌게 된다. ►제벡과 펠티에 효과는 서로 다른 금속의 접점에서 발생하지만 톰슨 효과는 같은 금속에서 발생한다. 기출문제 4.) 다른 종류의 금속선으로 된 폐회로에서 두 접합점의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 효과는 ? (소방 97,00,01,02,05) 1. 펠티에 효과 2. 제벡 효과 3. 톰슨 효과 4. 핀치 효과