전기의 기본, 옴의 법칙

옴의 법칙이란

 옴의 법칙은 전기회로 내의 전류(I), 전압(V), 저항(R) 사이의 상호 관계를 나타내는 매우 중요한 법칙입니다. 도체의 두 점 사이에 흐르는 전류의 크기는 둔 점 사이의 전압에 비례하고, 저항의 크기에 반비례한다는 법칙으로 1827년 독일의 물리학자인 G.S.Ohm(옴)이 발견했습니다. 즉, 전기의 흐름을 방해하는 비례상수 R을 전기저항이라고 하며 전류의 흐름을 방해합니다. 이 때문에 저항(Resistor)이라고 부르며, 저항이 클수록 전류는 적게 흐르게 됩니다. 이를 옴의 법칙이라고 하며 회로에 흐르는 전류의 크기는 전압에 비례하고 저항에 반비례하게 됩니다.

---

 몇 가지 예시를 들어보겠습니다. (1) 저항이 일정하면 전압 V와 전류 I는 비례합니다. 즉, 전압이 2배로 되면 전류도 2배, 전압이 3배로 되면 전류도 3배가 됩니다. (2) 전압이 일정하면 저항과 전류는 반비례합니다. 즉, 저항이 2배로 되면 전류는 1/2로, 저항이 3배가 되면 전류는 1/3배가 됩니다. 이렇기 때문에 관계식을 알 수 있습니다. V=IR, I=V/R, R=V/I이 세 가지 식 모두 옴의 법칙을 뜻합니다.

---

전압강하

 옴의 법칙은 전기회로 내에 작용하는 전류(I), 전압(V), 저항(R) 사이의 상호 관계식입니다. 이들 중 2개의 값을 알고 있다면 다른 하나의 값은 계산식에 의해서 구할 수 있습니다. 간단한 전기회로를 생각해봅시다. 전원과 저항, 전구가 직렬로 회로를 만들고 있습니다. 전원과 저항 사이의 전압을 V1, 저항과 전구 사이의 전압을 V2라고 하고, 저항의 값을 R1이라고 해봅시다. 전기회로에 전류 I가 흘러서 저항 R1을 통과하는 경우 저항 R1에는 옴의 법칙에 따라 전압이 생기게 됩니다. 이때 저항 R1에서 생기는 전압을 전압강하라고 하며 이것은 V1에 대하여 V2 전압은 저항 R1에 생기는 전압 V2=IR1으로 강하한다는 것을 말해줍니다.

---

저항의 접속(연결)

 일반적인 전기회로는 2개 이상의 저항을 조합하여 사용하는 경우가 대부분입니다. 물론 엄청 간단한 회로에서는 저항을 1개 쓰기도 합니다. 저항을 접속하는 방법에는 직렬 접속과 병렬 접속 이 두 가지 방법이 있습니다. 직렬 접속은 여러 개의 저항을 일렬로 접속하는 방법이며 병렬 접속은 전원에 저항을 각각 접속하는 방법을 말합니다. 저항 이외에도 전자부품을 직렬, 병렬 접속할 수 있습니다.

---

[ 그림  1-  저항의 직렬 접속과 합성저항 ]

---

 [그림 1]은 전원에서 흘러나온 전류 I가 저항 R1, R2, R3 등을 통해 전원으로 다시 돌아가는 것을 보여줍니다. 이와 같은 방법을 저항의 직럴접속이라고 합니다. 같이 붙어 있거나, 회로 전체의 저항값을 구할 때, 몇 개의 저항을 하나로 합쳐서 동일한 작용을 하는 단일 저항으로 치환할 수 있습니다. 이때, 그 저항 R을 합성저항이라 합니다. [그림 1]의 수식과 같이 저항 R1, R2, R3를 일렬로 결합한 직렬 접속은 저항의 합이 증가하는 것으로 합성저항 R은 전체를 더한 것과 같아집니다. 또한, 회로에 작용하는 전체 전압 V는 저항에 비례하여 전압이 분배되고, 각 저항에 흐르는 전류 I의 크기는 같습니다.

---

[  그림  2-  저항의 병렬 접속과 합성저항  ]

---

 [그림 2]와 같이 전원 양단에 3개의 저항 R1, R2, R3를 나란히 연결하는 접속 방법을 병렬 접속이라고 합니다. 병렬 접속된 저항에 전원을 연결하면 각각의 저항 양단에 같은 크기의 전압이 가해집니다. [그림 2]의 회로는 3개의 저항이 병렬 접속되어있습니다. 저항마다 전류가 흐르므로 전류는 각각의 저항값에 반비례하여 I1, I2, I3로 나눠집니다. 여기서 총 전류 I는 I1, I2, I3를 더한 값입니다. [ I = I1 + I2 + I3 ].

---

 저항을 병렬로 연결하게 되면 [그림 2]의 공식과 같이 전체 저항은 각 저항의 역수를 더한 값의 역수입이다. 그렇기 때문에 병렬 접속에서 합성저항은 가장 작은 저항보다 더 작은 합성저항이 되게 됩니다. 저항이 병렬로 접속된 회로에서는 저항마다 동일한 전압이 가해지고, 접속된 저항의 수만큼 전류가 나눠지게 됩니다. 각 저항의 흐르는 전류는 옴의 법칙에 따라 구하게 됩니다.

---

키르히호프의 법칙

 키르히호프의 법칙(Kirchhoff's rules)은 구스타프 키르히호프가 처음 기술한 전기회로에서 전하량과 에너지 보존법칙을 다루는 2개의 식입니다. 이는 옴의 법칙과 쌍벽을 이루는 전기 이론의 기초입니다. KCL에는 전류 법칙과 전압 법칙이 있습니다. 첫 번째 전류 법칙은 ‘전기가 흐르는 여러 전선이 1점에서 모일 때 이 점에 들어오온 전류와 나가는 전류의 양은 같다.’입니다. 들어오는 전류의 양을 +, 나가는 전류의 양을 -라고 하면, 한 점에서의 전류의 총량은 0이 된다는 말입니다. 이 간단한 법칙은 회로의 기초 법칙으로 모든 회로를 해석하고 반도체를 디자인하는 기본 법칙으로 적용됩니다.

---

 두 번째는 전압 법칙은 하나의 회로 안에서 전압, 즉 전위차는 0입니다. 하나의 회로에서 어떠한 점들에서의 전압은 다를 수 있습니다. 하지만 전체적인 전압은 변하지 않는다는 것입니다. 세 점 a, b, c에서의 전압을 Va, Vb, Vc 라고 하면 Va+Vb+Vc=0이 됩니다. 하지만 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라서 완벽하게 폐쇄된 회로를 만들지 않으면 이 법칙이 성립되지 않습니다.

 

 

전기의 정체