Ohm's Law

옴의 법칙

옴의 법칙. 누전차단기, 멀티탭, 전원어댑터

전기라는 현상을 작게 분해해보면 전류, 전압, 저항이라는 요소들로 이루어져있다.
이 세가지의 요소가 무엇인지 어떤 상관관계가 있는지가 전기 이해의 핵심이다.

전기의 필수 요소인 전하, 회로, 전압, 전류, 저항을 물에 비유하여 확인해보겠다.

 

전하를 조정하는 힘 - 전압, 저항

수자원에서 제일 중요한 것은 물이다.
물이 흘러가면서 에너지가 만들어진다.
전기에서 물에 해당하는 것이 전하(Electric charge)이다.
전하가 움직일 때 전기적인 에너지가 만들어진다.
수자원의 핵심이 물을 다루는 것이듯이, 전기를 다루는 것의 핵심은 전하를 다루는 것이다.

물을 필요로 하는 곳으로 내보내기 위해서는 수로가 필요하다.
전기도 마찬가지이다.
전기적인 힘을 필요로 하는 곳으로 전하가 통과하려면 길이 필요하다.
전하가 움직일 수 있는 대표적인 길이 전선이다.

이런 것들을 모아 만든 것을 회로라고 한다.
여기서 '회'는 순환한다는 뜻이다.

영어로는 circuit이다.
전기가 흐르기 위해서는 순환하는 길을 만들어줘야 한다.
한쪽이 끊겨 있으면 전기는 흐르지 않는다.
물이 수로를 통해서 흐르기 위해서는 물을 밀어내는 압력이 있어야 한다.
물이 흐르는 원천을 수원이라고 하며 전기도 마찬가지이다.

전하를 밀어내는 힘이 필요하다.
이런 힘을 가진 것들을 전원이라고 한다.
발전기, 건전지, 태양광패널 등 다양한 전원이 존재한다.
전하를 흐르게 하는 전원의 힘을 전압(voltage)이라고 한다.
전압이 없다면 전하는 흐르지 않는다.

물의 힘을 이용하면 물레방아를 돌릴 수 있다.
그런데 물레방아는 물의 흐름을 방해하기도 한다.
전자제품도 마찬가지이다.
전기제품은 전하가 움직이면서 생긴 에너지를 이용한다.
그 과정에서 전하의 흐름을 방해하기도 한다.

전기의 흐름을 방해하는 것을 저항(resistance) 혹은 부하(load)라고 한다.
때로는 전하의 양을 조절하기 위해 전하의 흐름을 일부러방해하기도 한다.
이런 것도 저항이다.

 

전하의 상태 - 전류

회로를 따라서 흐르는 전하의 양은 전압이 클수록 양이 많아지고, 저항이 클수록 양이 적어진다.

즉, 전압과 저항은 회로로 흐르는 전하의 양을 조절하는 조정 장치라고 할 수 있다.

그런데 전하의 양을 조종하기 위해서는 현재 회로를 통해서 흐르는 전하의 양을 알아야한다.

전기 회로를 통해서 시간당 흐르는 전하의 양을 전류(current)라고 한다.
물로 비유하면 수로를 통해 시간당 흐르는 물의 양이라고 할 수 있다.

즉, 전압을 높이면 전류가 커지고, 저항을 크게하면 전류가 작아진다.
전류의 현재 상태를 보고, 전압이나 저항을 조정해서 원하는 전류의 상태를 만들어 주는 것이 전기를 다루는 작업의 핵심이다.

자동차에 비유해보겠다.
전하가 흐르는 것을 자동차의 속도라고 한다면,
엑셀러레이터는 전하가 더 많이 흐르게 하는 전압이라고 할 수 있고
브레이크는 전하가 덜 흐르게 하는 저항이라고 할 수 있다.
현재 속도계에 표시된 값이 전류라고 할 수 있다.

 

 

옴의 법칙

기원전 600년전 그리스의 철학자 탈레스는 호박이라는 보석을 천으로 문지르면 전기가 발생한다는 것을 알아냈다.
호박은 그리스어로 elektron인데, 이것이 오늘날 전기를 의미하는 electricity가 되었다고 한다.
인류가 처음으로 전기라는 존재에 이름을 붙인 시기이다.
전기 현상을 인식한 이후에 인류는 전기에 대한 지식을 서서히 축적하기 시작한다.
꽤 오랜 시간이 흐른 뒤, 1827년 독일의 물리학자 옴에 의해 옴의 법칙이 등장한다.

- 전류 = 전압 / 저항 **
전압 = 전류 * 저항
저항 = 전압 / 전류

시간당 흘러간 물의양 = 물의 압력을 만드는 수압 / 물의 압력을 방해하는 저항

옴의 법칙은 우선 전기의 3가지 요소인 전류, 전압, 저항을 선명하게 정리해서 보여준다.

전류는 시간당 전기회로를 지나간 전하의 양이다.
회로로 흐르는 전류의 크기를 알면 전기적 힘을 파악할 수 있다.
영어로는 intensity of electric current 라고 한다. 줄여서 I 이다.

전압이란 전하를 밀어내는 힘이라고 할 수 있다.
그래서 전압이 커지면 전류도 커진다.
영어로는 Voltage 줄여서 V 이다.
전압에 따라서 전류의 크기가 결정된다.

저항이란 전하의 움직임을 방해하는 것들이다.
저항이 커질 수록 전하가 덜 흐르게 된다.
그래서 저항이 커지면 전류도 작아진다.
영어로는 resistance 줄여서 R 이라고 한다.
회로에 연결한 전기제품은 전기를 소비하면서 전하의 흐름을 방해하기 때문에 저항이다.
전류의 크기를 조정하기 위해 일부러 회로에 연결하는 저항도 있다.

 

옴의 법칙에서 가장 주목해야 할 것은
 
I = V / R 이다.

이 형식은 전압을 키우면 전류가 커지고,
저항을 키우면 전류가 작아짐을 나타낸다.

 

전압이 같을 때 저항의 변화에 따른 전류의 변화

전류	≒	전압	÷	저항
100	≒	100	÷	1
50	≒	100	÷	2
33	≒	100	÷	3
25	≒	100	÷	4
20	≒	100	÷	5
17	≒	100	÷	6
14	≒	100	÷	7
13	≒	100	÷	8
11	≒	100	÷	9
10	≒	100	÷	10

 

저항이 같을 때 전압의 변화에 따른 전류의 변화

전류	≒	전압	÷	저항
100	≒	100	÷	1
90	≒	90	÷	1
80	≒	80	÷	1
70	≒	70	÷	1
60	≒	60	÷	1
50	≒	50	÷	1
40	≒	40	÷	1
30	≒	30	÷	1
20	≒	20	÷	1
10	≒	10	÷	1

 

이 공식에서 주목해야 할 것은 전류, 전압, 저항의 관계이다.

사람이 제어할 수 있는 것은 전압과 저항이다.

이 결과로 회로에 흐르는 전하의 양이 달라지게 된다.
즉 전류가 커지고 작아지게 된다.
이를 표현하는 공식이 I = V / R 이다.

회로를 접하게 되면 제일 먼저 전류가 얼마나 흐르는지를 파악해야 한다.
전류가 부족하면, 전압을 키우거나, 저항을 줄인다.
전류가 너무 크면 전압을 낮추거나, 저항을 키운다.

전류가 힘이고, 전압과 저항으로 그 힘을 조절한다고 생각하면 된다.
이것이 가장 중요한 내용이다.

 

안전 (누전차단기의 점검)

자동차는 브레이크가 좋을 수록 빨리 달릴 수 있다.
무술에서 제일 처음 배우는 것은 넘어지는 법인 낙법이다.
실패에 대처하는 법을 먼저 배우지 못하면 성공을 향한 도전을 시도하기 어려울 것이다.
전기를 이해하지 못한다면 안전한 상황에서도 불안에 떨 것이고,
불안한 상황에서 안전하다고 느끼게 될 것이다.

집으로 들어오는 모든 전기가 이곳을 통해 들어온다.
전기의 관문이라고 할 수 있다.
이 관문에는 특별한 안전 장치가 있다.

누전차단기라는 것이다.
누전 차단기는 전기가 정상적으로 흐르지 않을 때 자동으로 차단된다.
누전이 일어나면 화재나 사망사고로 이어질 수 있기 때문에 매우 위험하다.
이를 방지하는 안전장치가 누전차단기이다.

이 장치의 진짜 목적은 안전이다.
전기 사고로 이어질 수 있는 상황이 발생하면 스위치가 자동으로 내려간다.
그렇기 때문에 이 장치는 절대로 고장이 나면 안된다.

그래서 고장 여부를 파악할 수 있는 방법이 내장 되어 있는데 그것이 바로 테스트 버튼이다.
이 버튼을 눌렀을 때 스위치가 툭하고 떨어진다면 고장 나지 않았다는 의미이다.
스위치를 올리면 전기가 다시 공급된다.

전기가 꺼진 후에 다시 켜면 냉장고와 같은 제품에 좋지 않은 결과를 미칠 수 있기
때문에 5분 정도 후에 켜는 것이 좋다.

 

합선 (전압에 대한 수감각)

누전 차단기에 정격전압이라고 적힌 곳이 있다.

"정격"은 제조사가 안전을 보장하는 값이다.

110/220V 라고 적혀 있는 것은 이 제품은 110V 와 220V를 지원하는 제품이라는 뜻이다.
한국에서는 기본적으로 220V 의 전압이 사용되고 있다.

국가마다 표준 전압이 다르다.
미국에서는 대부분 120V, 일본에서는 100V를 사용한다.
이 누전 차단기의 전압이 범위로 표시된 이유는 여러 국가에서 사용할 수 있는 제품이기 때문이다.
이런 것을 프리 볼트 제품이라고 한다.

220V가 어느정도의 크기일까?
전압에 대한 수 감각을 키워보자면 AAA 타입의 건전지는 1.5V
가용정 전기는 건전지는 대략 146배 큰 전압이다.

동시에 발전소에서 만들어진 전기는 어느 정도의 전압일까?
송전탑에 흐르는 전압은 765kV에 달한다.
1kV 느 1000V 이다.
따라서 가정용 전기의 3477배의 크기이다.

1.5V, 220V, 765kV 와 같은 몇몇 숫자들은 기억해두면 좋다.
그렇게 되면 어떤 전압을 만나도 이 숫자와의 비교를 통해 그 전압을 가늠해 볼 수 있다.

- 합선이 위험한 이유

그럼 누전차단기는 어떤 경우에 차단 되는 것일까?
누전차단기의 켜짐꺼짐 스위치의 가운데에 30A라고 적혀있다.
A는 Ampere의 약자로 암페어라고 읽으며 전류의 단위이다.

최대 30A 만큼의 전류를 공급할 수 있다는 의미이다.
30A 이상의 전류가 흐르면 자동으로 전기가 차단된다.
주의할 것은 30A라는 것이 전기를 연결하면 무조건 30A만큼 전류가 흘러간다는 뜻이 아니다.

최대 30A까지만 전기를 공급해주겠다는 뜻이다.
수로를 연결했다고 저수지에 가득찬 물이 한꺼번에 쏟아지는 것이 아닌 것처럼
장치를 많이 연결할 수록 차단기를 통해서 공급되는 전류가 많아지게 되는데 30A보다
전류가 많이 흐르면 자동으로 차단이된다.

누전차단기가 차단되었다면 전기를 많이 사용하는 전자제품부터 제외하면서
30A보다 낮은 전류를 사용할 수 있도록 해야 한다.
많은 전류를 사용하면 전선이 타서 집에 불이 날 수 있다.
또 엄청난 요금 폭탄을 맞을 수도 있다.
만약 30A가 한달동안 흐른다면 전기요금으로 280만원 정도가 나오게 된다.

차단이 되는 경우가 있다.

그것은 바로 합선(Short circuit, 단락)이다.
이런 행동은 절대하면 안되는데, 전선의 피복을 벗겨서 전선끼리 접촉을 시키면 그것이 합선이다.
합선이 되면 어떤일이 생길까?
옴의 법칙을 통해 합선이 되면 전류가 얼마나 흐르는지 계산하자.

I = V / R

우리가 아는 것은 아래와 같다.

전압: 220V
저항: 0Ω

전자제품들은 전기를 소비하면서 전류의 흐름을 방해한다.(즉 저항 또는 부하라고 한다)
전선과 전선을 직접 연결하면 저항이 없기 때문에 부하가 0이 된다.
Ω 은 저항의 단위이다.

220V가 흐르는 회로에 저항이 0Ω 이면 아래와 같이 계산 될 수 있다.

220V / 0Ω = 무한대.

분모가 0이면 계산 결과는 무한대가 된다.
즉 무한대의 전류가 흐르게 되는 것이다.
이것은 마치 댐의 물을 막은 둑이 무너져버린 것과 같은 상황이다.
그러면 어떻게 될까?
저장되어 있던 모든 물이 한꺼번에 쏟아지게 된다.

전기도 마찬가지이다.
무한대의 전류가 흐르기 때문에 전선에 엄청나게 많은 전하가 흐르게 된다.
다시 말해서 전류의 값이 무한대가 된다.

전류가 많아지면 열이 발생하게 된다. 이것은 즉 화재로 이어지게 된다.
합선이 일어나는 흔한 사례가 전기선의 피복이 벗겨지는 것이다.
자주 구부러지는 부분은 피복이 벗겨져서 합선이 쉽게 일어나게 된다.

누전차단기의 30A의 제한은 너무 많은 전기의 사용과 합선을 방지해주는 안전장치이다.

 

누전

전류에 대한 수감각을 키워보겠다.

30A가 얼마나 큰 숫자인지 감이 오지 않을 것이다.
전기가 몸을 통과하는 것을 감전이라고 한다.
정말 아프고 죽을 수도 있는것이 감전이다.
감전에 대해 충분히 이해하지 못한 상태에서는 전기는 그냥 무조건 두려운 존재라고 인식한다.

전기적인 힘은 전류의 양에 달려있다.
1A = 1000mA 와 같다.
mA는 밀리암페어라고 읽으며 30A는 30,000mA와 같다.

신체로 
1mA(0.001A)가 흐르면 찌릿함을 느낀다.
8mA부터 참을 수 없는 고통을 느낀다.
15mA부터는 근육이 제어되지 않아서 스스로 감전 상태에서 벗어 날 수 없다.
50mA부터는 심장이 멈추고 수 분내에 사망에 이른다.
30A(30,000mA)는 50mA보다 600배 큰 전기이다.

15mA를 꼭 기억해야 하며 동시에 많은 전류가 몸에 흐르지 않게 해야 한다.
절연장갑의 착용을 통해 내 몸의 저항을 높이거나, 전원의 전압을 충분히 작게해서
15mA보다 큰 전류가 흐르지 않게 해야 한다.

손으로 전선을 만졌을 때 어떤 일이 생기는지 생각해보자.
마른 손의 저항은 보통 1000 - 2000Ω 정도로 알려져 있다.
이를 우리가 아는 것을 통해 정리해보자.

전압: 220V
손의 저항: 1000Ω

옴의 법칙에 따라 전류를 구해보자

I = V / R

220V / 1000Ω = 0.22A = 220mA

즉 220mA의 전류가 몸에 흐르게 된다.
사망에 이르게 하는 수치의 4.4배가 된다.
즉 전선에 손을 대면 죽게 된다.

그런데 만약에 손에 물이 묻으면 어떻게 될까?
순수한 물 자체는 전기가 통하지 않지만 수돗물에는 다양한 성분이 포함되어 있어 전기가 잘 통하게 된다.
자연스럽게 물이 묻으면 저항이 급격히 줄어들게 된다.
예를 들어 물이 묻어서 손의 저항이 500Ω이 되었다면 다음와 같이 계산이 된다.

220V / 500Ω = 0.44A = 440mA

엄청나게 큰 전류이다.
즉, 저항이 작아지면 전류가 커지기 때문에 위험하다.
이래서 물이 묻은 상태로 전자제품을 만지면 안된다는 것이다.

 

>> 여기에서 누전차단기의 원리를 접목하여 알아보겠다.

누전차단기를 확인하게되면 정격 감도 전류가 30mA라고 되어 있다.
이것은 손이 전기회로에 닿았을 때 30mA 이상의 전류가 흐르면 자동으로 차단된다는 뜻이다.
누전차단기가 30mA에서 차단되는 이유는 위와 같다.

그런데 이상하다.
30A에서도 차단되고, 30mA에서도 차단된다고 하니 말이다.
30mA는 누전 상황을 의미하는 것이다.
누전은 전류가 어디론가 새고 있다는 뜻이다.
전선 안에는 전하가 이미 가득차 있는 상태라고 상상하고,
전압이 걸리면 전하를 밀어내는 힘이 생기면서 전선 안에 가득차 있는 전하가 전체적으로 움직이는 것이다.
이 과정에서 전기적인 힘이 발생한다.
전하는 사용하고 나면 사라진다고 생각하기 쉽다.
하지만 전하는 사라지지 않는다.
전하를 움직이게 하는 힘인 전압이 약해지면서 전기적인 에너지가 약해지는 것이다.
이렇헤 전기회로를 통해서 흐르는 전류는 보존된다.
즉 나가는 전류보다 다시 들어오는 전류가 부족하다면 어디에서 전기가 새고 있는 것이다.
이런 것을 누전이라고 한다.

회로를 손으로 만지면 신체를 통해서 전류의 일부가 땅으로 흘러간다.
지구는 거대한 음극이라고 할 수 있다.
이렇게 되면 전원으로 되돌아오는 전류의 양이 줄어든다.

이때 누전된 전기의 양이 30mA 이상이 되면 매우 빠른 속도로 전기가 차단된다.

바로 이런 이유 때문에 전기작업을 할 때 장갑을 끼는 것이다.
절연장화까지 신는다면 전기가 땅으로 흐르기 더욱 어려워지기 때문에 훨씬 안전하다.

그럼 가전제품 별로 사용하는 전류와 저항의 크기도 알아보겠다.

가정에서 많이 사용하는 10W LED 전구는 0.045A(45mA)만큼의 전류를 사용한다.
이 정도 전기로도 사람의 생명이 위험할 수 있다.
저항은 약 4800Ω 이다.

V = I * R
216V = 0.045A * 4800Ω

1800W 헤어드라이어는 약 8.1A(8100mA) 만큼의 전류를 사용한다.
헤어드라이기가 전구보다 180배 많은 전류를 사용한다.
헤어드라이어는 무서운 기계이다. 저항은 약 26Ω 이다.

211V = 8.1A * 26Ω

이렇게 제품마다 사용하는 전류의 양이 다르다.
전류에 의해서 전기의 힘이 달라진다는 것을 기억해야 한다.
또 강한 전기적 힘을 사용하는 제품일 수록 저항이 작다는 것도 관심있게 살펴야 한다.
저항이 작아야 전류가 많이 흐르기 때문이다.

 

전력(Power)

몇가지 가전제품들을 살펴보겠다

10W LED 전구
1000W 전기난로
1800W 헤어드라이어

제품명 앞에 붙어 있는 W는 무엇일까?

W는 전력(Power)의 단위이며 와트(Watt)라고 읽는다.
전력은 전기로 어느 정도의 일을 할 수 있는가를 알려주는 편리한 단위이다.
여기서는 수식 대신에 감각적으로 느껴보는 것이 좋을 것 같다.
감각을 통해 느끼는 것을 자주 해보면 수 감각이 생기게 된다.

선풍기 
미풍 32와트 약풍 35와트 강풍 40와트 모터 전력.
회전기능이 추가되면 1.5와트 가량 추가됨.

드라이기
연결만 되어도 0.5W
단순 미풍 약 36와트, 약풍에서 온풍으로 약 800와트
단순 강풍 약 78와트, 강풍으로 온풍으로 약 1550와트 
(즉, 열이 추가되면 전력소모가 크게 늘어난다)

1와트는 약 102g 정도 질량을 가진 물체를 1초 동안 1m 들어올리는 일의 양과 같다.

따라서 1000W는 약 102kg 의 물체를 1초 동안 1m 들어올리는 일의 양과 같다.
즉, 와트가 클수록 더 많은 일을 할 수 있는 것이다.

즉 전력은 전기를 통해서 할수 있는 일의 양을 표현하는 것이다.
전력을 구하는 방법은 다음과 같다.

전력(P) = 전압(V) * 전류(I)

아래와 같이 표시된 제품이 있다면

220V / 4.5A

이 제품의 전력은 220 * 4.5 = 990W 가 된다.
와트와 전압을 알면 전류를 알수도 있다.

제품 소개에 1000W 짜리 전기난로라고 되어 있다면 이 전기난로의 전류는 아래와 같이 계산된다.

1000W / 220V = 4.54A

전류를 알았으니 저항도 알 수 있다.
저항은 아래 공식으로 구한다.

R = V / I

220V / 4.54A ≒ 48.4Ω

전력이 높다는 것은 그만큼 강력한 힘을 발휘할 수 있다는 것을 암시한다.
그래서 LED 조명을 보면 아래와 같이 소개되어 있다.

LED 전구 6W 8W 10W 12W 14W 18.5W
와트가 높을수록 더 밝은 빛을 낸다.
그래서 제품 소개를 보면 제품 간의 성능을 비교할 수 있도록 와트를 표시하게 된다.

 

전력량

Wh - Watt hour

뉴스기사를 가져왔다.

"2018년 전 세계의 전기 생산량은 26,000,000,000,000,000Wh였다.
한국은 600,000,000,000,000Wh를 생산했다. 전 세계 발전량의 약 2.2%를 차지하는 양이다."

W(와트) 뒤에 h가 붙어있다.
전기 요금 또한 마찬가지이다.

예를 들어 1,000W짜리 난로가 있고, 하루에 10시간씩 20일을 사용한다면 이용요금은 어떻게 될까?

1,000W는 힘이다.
이 힘을 하루 10시간씩 20일을 사용한다면 10시간 * 20일 = 200시간이다.
1000W의 힘을 200시간 동안 가했을 때 할 수 있는 일의 양을
1000W * 200h = 200,000Wh 라고 한다.
Wh는 와트시라고 읽는다.

전력은 힘이고, 전력량은 그 힘을 사용한 시간 동안 한 일의 양을 의미한다.
즉, 1Wh는 1W의 힘을가진 장치를 1시간동안 사용해서 한 일의 양이라고 할 수 있다.
동시에 1W를 소비하는 기기를 1시간 동안 동작 시키기 위해서 필요한 전기의 양이라고도 할 수 있다.

10Wh에 대해 알아보면 10W를 소비하는 기기를 1시간 동안 동작시키기 위한 전력의 양이라 할 수 있다.
또는 1W를 소비하는 기기를 10시간 동작시키기 위한 에너지의 양이라 할 수 도 있다.
따라서 200,000Wh의 전기요금은 200,000W * 0.0933원 = 18,660원 이다.

 

직렬과 병렬

한국에서 멀티탭이라 불리는 이것은 미국에서는 Power strip이라고 부르는 장치이다.
이 장치는 전자제품들에게 전기를 분배해주는 역할을 하면서 동시에 결합해주는 역할을 한다.

멀티탭의 원리를 살펴보고 그 과정에서 직렬과 병렬의 장단점을 파악할 수 있다.

전원(V)

저항(R)

 

저항이 여러 개일때는 저항에 R1과 R2와 같이 이름을 붙인다.
두 개의 회로 모두 2개 이상의 저항이 연결되어 있다.

여기에 있는 것은 2개에 불과하지만 2개를 연결할 수 있게 되면 1억개도 연결할 수 있는
폭발적인 능력을 갖게 된다.

우리가 알고 있는 복잡한 전자장치들은 그렇게 만들어진다.

첫번째 그림은 직렬로 연결된 저항이다.
전류가 흘러갈 수 있는 길이 하나밖에 없을 때 저항이 직렬(series)로 연결되어 있다고 한다.
두번째 그림은 병렬로 저항이 연결된 것을 보여준다.
전류가 흘러갈 수 있는 길이 여러 개가 있을 때 저항이 병렬(parallel)로 연결되어 있다고 한다.

직렬과 병렬은 서로 장점과 단점이 다르다.
이론적으로 따져보는 것은 유익하지만 좀 복잡하다.
그래서 이미 익숙한 전기장치인 멀티탭을 통해 병렬과 직렬을 느껴볼 수 있다.

결론적으로 멀티탭의 내부는 병렬 연결이다.
멀티탭을 병렬회로로 만든 이유는 무엇일까

멀티탭이 직렬이라면 모든 콘센트에 플러그가 꽂혀 있어야 한다.
플러그를 뽑으면 회로가 끊겨버려서 모든 기기가 동작하지 않을 것이다.
멀티탭이 병렬이기 때문에 비어있는 콘센트가 있어도 다른 장치들을 사용할 수 있다.

만약 멀티탭이 직렬이라면 장치를 연결할 때마다 전체 회로에 흐르는 전류의 양이 작아져서
연결되어 있는 모든 기기의 전기가 부족하게 될 것이다.
반대로 장치를 제거할 때마다 전류의 양이 커져서 모든 기기가 타버릴 것이다.

병렬회로 덕분에 각각의 기기들이 다른 기기에 영향을 받지 않고 독립적인 상태를 유지하면서 동작할 수 있다.

 

직렬과 병렬 회로 이론

옴의 법칙에서 가장 중요한 공식은 다음과 같다.

I = V / R

즉, 우리의 관심사는 전자제품이나 전자부품에 전류를 공급해서 동작시키는 것이다.
이를 위해서는 전원의 전압을 조정하거나, 전기의 흐름을 방해하는 저항을 추가하거나 제거해야 한다.
이 사실이 가장 중요하다. (전류를 조절하는 것은, 전압 과 저항)

아래와 같은 조건이 있다고 가정한다.

전원의 전압 = 60V
R1의 저항 = 10Ω
R2의 저항 = 20Ω

우선 따져봐야 할 것은 직렬과 병렬회로가 각각 얼만큼의 전기를 소비할까? 이다.
이를 따져보기 위해서는 우선 모든 저항을 합쳤을 때의 저항값을 알아야 한다.
이걸 알아내기 위해서는 저항이 가진 특성을 살펴봐야 한다.

저항의 값은 
회로의 면적이 넓어지거나 길이가 짧아지면 작아지고,
회로의 면적이 좁아지거나 길이가 길어지면 커진다.

따라서 직렬연결의 10Ω과 20Ω의 두 저항을 더한 30Ω이 직렬연결시 저항 값이다.

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병렬 연결의 저항 R1, R2는 도로의 길이 넓어진 것과 같은 효과이다.
그래서 저항이 낮아진다.

R = 1 / ((1/R1)+(1/R2))

계산하면

6.67Ω = 1 / (1/10 + 1/20)

전기회로 계산기를 웹이나 앱으로 계산해보는 것이 편하다.

따라서 결과는 다음과 같다.

- 직렬연결시 : 30 Ω
- 병렬연결시 : 6.67Ω

직렬연결에서는 저항이 많을 수록 저항이 커지고
병렬연결에서는 저항이 많을 수록 저항이 낮아지고 있다.

이렇게 회로에 흐르는 전체 저항의 값을 알아 냈으니 이제 회로에 흐르는 전체 전류의 값을 알아낼 수 있다.
전원에서 공급되는 전압이 60V라고 한다면 회로에 흐르는 전류는 아래와 같이 찾아낼 수 있다.

옴의 법칙 I = V / R을 이용하였다.

- 직렬연결시 : 60V / 30Ω = 2A
- 병렬연결시 : 60V / 6.67Ω = 9.9A

병렬 연결을한 회로로 더 큰 전류가 흐르는 것을 볼 수 있다.

30Ω 짜리 R3 한개가 더 추가 된다면 어떤 결과가 나올까?

- 직렬 연결시: 60V / 60 Ω = 1A
- 병렬 연결시: 60V / 6.67Ω = 11A

직렬 연결은 전류가 줄었고, 병렬연결은 전류가 커졌다.
이것만봐도 직렬연결에 여러개의 전자제품을 연결하는 것은 문제가 있다.
전자제품이 많을 수록 더 많은 전류가 필요할텐데 오히려 줄고 있다.
반면 병렬 연결은 전류가 자동으로 늘어나는 것을 볼 수 있다.

전체 회로에 걸리는 저항과 전류를 구하였다.
그럼 저항 R1과 R2에 걸리는 전류와 전압은 어떻게 되는지 따져보아야 한다.

따져보기 전에 알고 있어야 하는 기본적인 성질을 먼저 살펴보겠다.

- 직렬회로에서는 각 저항에 걸리는 전류가 같고
- 병렬회로에서는 각 저항에 걸리는 전압이 같다.

전류는 전하가 흐른 양이라고 할 수 있다.
알갱이라고 상상을 해보게 되면 직렬 회로에서는 전하가 저항을 하나씩 거쳐가야 한다.
다른 길이 없는 것이다. 그렇기 때문에 모든 저항에 같은 양의 전류가 통과하게 된다.

반대로 병렬회로에서는 전류가 다른 길로 흘러가게 된다.
하나의 길로 흘러가는 것과 다르게 다른 길이 있기 때문에 각자 다른 양의 전류가 흐를 수 있게 된다.

특히 병렬에서 주목할 점은 전압이다.
전원에서 60V가 공급되었다면 병렬로 연결된 모든 저항에게도 60V가 공급된다.

- R1: 10Ω, 60V, 6A(60V / 10Ω)
- R2: 20Ω, 60V, 3A(60V / 20Ω)

전압이 같기 때문에 전자제품의 저항에 따라서 적당한 전류가 공급될 수 있다.

30Ω 짜리 저항 하나가 추가되면 이렇게 된다.

- R1 : 10Ω, 60V, 6A(60V / 10Ω)
- R2 : 20Ω, 60V, 3A(60V / 20Ω)
- R3 : 30Ω, 60V, 2A(60V / 30Ω)