1. 전기가 흐르는 로직

전기 전자 수준에서는 컴퓨터가 어떻게 동작하는지 궁금해서 공부해봤다.

참고링크
https://youtu.be/K07QU-3Jlq8
https://youtu.be/Uocc81qn9M0

요약 #

• 자연의 기본 힘인 음전하와 양전하 사이에서 발생하는 전기력의 영향 범위인 전기장은 강하면 강할수록 전기장 안의 전하를 빠르게 이동시킬 수 있다.
• 전기장의 전파 속도는 빛의 속도이며, 전파란 전기장에 의해 이동하는 전자가 만들어내는 새로운 전기장이 다음 전자에 영향을 주는 것을 의미하기 때문에 도선에는 빛의속도로 전류가 생기게 되는것이다.
  전자의 이동은 아주 느리지만, 전자기장은 빛의속도로 전파되기 때문에 이동하는 전자가 빛의속도로 생성되면 결국 그 위치의 전류도 생성된 것과 같다.
• 전자가 이동되며 생긴 운동에너지로 저항과 부딪혀 열이나 빛이 만들어진다.
• 아래 그림을 보면, 전기장(E Field)의 양상이 회로 끝을 다녀오기 전까지는 동일한 것을 확인할 수 있다. 위쪽 도선의 끝에서는 전원과 연결된 도선(세로)에서 전자가 이동되면서 만들어지는 전기장의 영향을 추가로 받기 때문이다.

용어 정리 #

전압(V) #

전기를 흐르게 하는 압력. 전기는 전위가 높은곳에서 낮은곳으로 흐르는데, 이 전위차를 전압이라고 부른다.

즉 전체 전압이라는것은 특정 구간에서 시작점과 끝점의 전위차이다. 전원의 전압이 9V인 것은 음극과 양극의 전위차이고, 회로에서 양극에서 음극으로 갈수록 전위가 낮아지며 전압이 측정된다.

• A 근처끼리 측정 : 0V에 가깝게 측정된다.
• A 와 B사이 측정 : 9V에 가깝게 측정된다.
• A 와 C사이 측정 : C의 위치가 중앙이라면 4.5V에 가깝게 측정된다.
• B 와 C사이 측정 : 4.5V에 가깝게 측정된다.

전류(A) #

초당 전선에서 흐르는 전기의 양. 전체 전류량은 회로 전체 저항으로 결정된다.
회로에서는 회로나 부품을 보호하기 위해 저항을 이용해 전류를 제한하는 방향으로 설계된다.
도체(전선)의 저항이 클수록 전류는 약해지기 때문에 I = V/R 이 된다.

전력(W) #

초당 전기가 하는 일의 양. W = V*A
1W는 1J(줄)/s 로 초당 1줄의 일을 하는 전력량이다. 전기 고지서를 보면 kWh를 기준으로 요금을 부과하는데, 시간당 사용한 전력량을 kW로 나타낸것을 의미한다.
발전소에서 생산하는 전력은 전체 소비 전력에 맞춰서 생산한다.

저항(옴) #

전류의 흐름을 방해하는것. 각 물질은 저항값이 다르며 반도체나 부도체로 갈수록 저항값이 커진다.
전선이 길수록, 굵기가 얇아질수록, 온도가 높을수록 저항이 커진다.
보통 저항을 회로에 넣어서 저항값을 높여 전류를 조절한다. 전류가 너무 많이 흐르면 회로의 부품이 탄다.
https://youtu.be/65N0277ltYs 이 영상에선 도선의 중앙을 얇게해서 저항을 높여 열을 발생시켰다.

회로에는 각각의 부품이 연결되고 도선과 부품들은 저항을 가지고있다. 저항이 낮으면 I = V/R 식에 의해 높은 전류가 흐르게되고, 부품이 버틸 수 있는 전류를 초과하면 고장날 수 있기 때문에 전체 저항을 높여 전류를 제한하게된다.

가전제품은 220V 의 교류전류를받아 변압, 정류 후 각 제품에 맞는 전압+전류를 만들어내 사용한다. 전력소모가 높은 회로는 저항을 낮게 설계해서 전류를 높여 많은 전력을 사용하도록 하고 열관리, 굵은도선, 안전한 부품 사용 등으로 회로가 더 잘버티도록한다.

직렬회로 #

전류가 분배되지 않아서 모든 위치의 전류가 동일하면 직렬이라고 부른다. (전류동일)

직렬회로에서 공급되는 전압은 6V로 유지되고, 전류가 전체 저항에 의해 영향을 받기 때문에 1A가 흐르게 되는데, 키르히호프 전압법칙에 의해 저항 사이를 지날때마다 전압이 저항과 같은 비율로 나눠진다.

저항이 0인 도선은 없기에 전원의 +에서 -까지 전위는 점점 줄어들며 도선 전체에 전압이 걸리는데, 만약 회로에 저항이 껴 있다면 도선자체의 저항은 매우 작기 때문에 무시하고 전압의 대부분은 저항에 걸리게된다.

• 전류를 줄여 전력소모를 감소시키거나 민감한 부품을 보호할 수 있다.
• 회로에서 여러 전압레벨이 필요할때 (밝기제어 등)에서 전압을 조절할 수 있다.
• 전류를 동일시해서 전류를 측정할 수 있다.

병렬회로 #

전류가 중간에 갈림길을 만나 분배되면 병렬회로라고 부른다. (전압 동일)

병렬회로에선 전체 저항이 1/R = 1/5 + 1/2 = 7/10 로 R = 10/7 이고, 전압이 10V이기 때문에 전류는 7A이다.
병렬로 연결된 저항에 전류가 5:2의 비율로 나눠져서 흐른다. 전압이 변하는건 아니기 때문에 I = V/R로 계산해도된다.

• 전체 저항을 감소시켜 전류를 높일 수 있다. 높은 전력량이 필요한 경우 저항을 낮춘다.
• 전압을 유지해서 균일한 신호를 유지할 수 있다.
• 전압이 유지되고 전류가 분배되어 모든 led가 같은 전압으로 켜질 수 있게 보장한다.

전원(전압)이 직렬로 연결되면 두 전원의 전압을 더한 전압이 회로의 전압이 되고, 병렬로 연결되는 경우엔 전압은 같지만 용량이 증가해 오래사용할 수 있다. 직렬회로 병렬회로는 저항연결이 기준이다.

직류 #

건전지처럼 균일한 직류전압을 가져 한 방향으로 흐르는 전류이다. 안정적이라 회로에 손상을 주지않지만, 전압을 높이기 어려워서 장거리 송전이 어렵다.

교류 #

전압이 계속해서 변하는 전류이며 전압이 일정치 않아서 회로에 손상을 줄 수 있다.
전압이 0이 되는게 상관 없어서 교류상태로 쓸수있는 모터나 형광등도 있지만, 직류와 비슷한모양의 맥동직류로 정류시켜 안정적인 전압공급도 가능하다.

전기란 뭘까? #

도체의 원리 #

모든 물질은 원자로 이뤄져 있고, 원자는 양성자와 중성자로 이뤄진 원자핵(+)과 주위를 돌고있는 전자(-)들로 이뤄져 있다. 일반적으로 원자는 중성(전자수 == 양성자수)인데, 열이나 빛을 가하면 전자가 튀어나간다(자유전자). 그렇게되면 원자는 +로 대전되고, 다른쪽 원자는 튀어나간 전자가 붙어 -로 대전된다.

전자의 수(원자번호)가 같으면 물질의 화학적 성질이 같고 중성자수가 다르면 질량만 다른 동위원소가 된다. 모어의 원자모형에 의하면 원자에서 전자는 특정궤도(껍질)에서만 존재할 수 있다. 전자는 원자핵에 가까울수록 핵의 인력이 커져서 안정적이라 안쪽부터 전자를 채워나가는데, 일정 수보다 많이 채우려고 하면 전자끼리의 반발력 때문에 불안정해져서 일정 수가 채워지면 전자는 다음껍질에 채워진다.

보어의 원자모형은 기체같이 원자끼리 멀때의 이야기이고, 고체일때는 원자와 원자 사이의 간격이 매우 가깝기 때문에 인접한 원자끼리 전자의 궤도가 겹치게 되면서 전자가 위치할 수 있는 궤도가 띠의 형태(에너지띠)를 이루게 된다.

원소마다 띠틈의 간격이 다르고, 띠틈이 가까울수록 필요한 에너지가 적게 들기 때문에 최외각껍질과 전도띠(전자가 없는 띠 여기 도착하면 자유전자가 된다.)가 붙어있거나 가까운 금속의 경우 자유전자가 쉽게 생기게 되고, 전기가 잘 통하는 도체가 된다.

물질이 전류의 흐름에 저항하는 힘을 비저항이라고 하는데 원자간의 거리가 멀어서 에너지 띠가 생기지 않거나 빈틈이 많은 결정구조를 갖고있는 등의 이유로 비저항이 높아진다.

정전기와 방전 #

전자가 이동해 대전된 상태에서 특별한 일이 없다면 전하가 그 물체에 남아있게되는데 이를 정전기라고 부른다.
한쪽은 양전하(+), 한쪽은 음전하(-)로 대전된 물체에 구리선(도체)을 연결하면 전압에 의해 자연스럽게 - 에서 + 로 전자가 이동하면서 둘다 전기적인 성질을 잃는데, 방전 이라고 부른다.
배터리나 건전지도 같은 원리이기 때문에 방전된다는 표현을 사용한다. 대전되지 않은 물체에 연결해도 상대적 양성(+)인 방향으로 전자가 움직인다.

물질 특성에 따라 대전량의 차이가 있고, 공기중 습기는 도체역할을 해서 땅으로 흘려보내 중성상태를 만든다.
사람이 생활하다보면 옷을 입거나 걸어다닐때 마찰이 발생하면서 옷과 피부, 머리카락이 대전되며 정전기가 쌓이는데, 금속 등의 도체를 만졌을때 높은 전압으로 방전을 일으키지만, 이동하는 전자가 적어 피해가 적다.

번개의 원리도 구름 안에서 얼음 알갱이들이 마찰을 일으켜 대전된 얼음알갱이들의 +과 -의 전위차(전압)가 엄청 높아졌을때 땅으로 전자가 흐르며 방전하는게 낙뢰이다.
지구는 도체이며 덩치가 너무 커서 어떤 전자든 받아들일 수 있기 때문에 땅으로 떨어지는것이다. 어떻게보면 에너지 띠를 뛰어넘는 전자와 같다.

전류는 전자의 흐름이고 전압에 의해 -에서 +로 이동하는데 전자는 1초에 1cm이하의 속도(드리프트속도)로 이동한다. 그런 녀석이 어떻게 순식간에 전구의 빛을 만들어낼 수 있을까?
전류 발생의 원인은 전자의 이동이 아니고, 전자가 서로 밀어서 맨끝의 전자가 튀어나가는것도 원인이 아니다.

원인은 전기장? #

전기장은 전하가 다른 전하에 가해지는 힘을 말한다. 양전하와 음전하 사이에는 인력과 척력(자연의 기본 힘인 전기력)이 발생하고 힘이 영향을 주는 영역을 전기장이라고 한다. 다른 전하가 이 공간(전기장)에 들어왔을때 받게되는 전기력의 크기와 방향을 나타낸다.
이로인해 전자가 이동하는 운동에너지는 전기에너지의 한 부분이며, 이 전기에너지는 회로의 저항에서 원자에 충돌하며 운동에너지를 잃고 열이나 빛 등의 에너지로 전환되어 사용될 수 있다.

전자의 이동(전자의재배열)은 도체 내에서 전기장이 상쇄(균형상태)될 때까지 점점 느려지지만, 이동이 아예 멈추는일은 발생하기 어렵다.

음극에서 시작해서 양극으로 갈수록 점점 전압이 낮아지고, 1번보다 2번의 위치가 전자가 많기(전압이 낮기) 때문에 전자는 1번쪽으로 이동(양성자가 이동할순 없으니)된다. 음극과 양극의 전하량이 동일해질때까지 재배열이 계속된다.
당연하게도 배터리의 한쪽만 연결했다 해도 재배열은 이뤄진다. (대전과 같은현상)

정리 #

아주 긴 회로의 예시 #

• 전기장은 음전하와 양전하 사이에 생기는 힘으로 전기장 안의 전하는 이동할 수 있는 힘을 받는다.
• 배터리는 음극과 양극을 가지고있기 때문에 전기장이 형성되어 있다. 분리막에 의해 전자의 이동은 없으며, 이 예시에서는 도선의 대전용이다.
  물론 도선에서 전하의 재분배로도 아주잠깐 전류가 발생하는데, 변위전류라고 한다.
• 스위치를 닫는 순간 (닫기전에도 사실 전압이 높으면 공기를 뚫고 전하가 이동할 수 있지만 이 경우는 제외한다) 가장 큰 전압차가 발생하는데, 전구 주변의 전자에 영향을 줄 수도 있다.
• 스위치를 닫았을때 전기력은 빛의 속도로 인접 전자에 영향을 주기 때문에 빛의 속도로 회로를 따라 전기장이 퍼져나간다. 회로의 전자는 전기력의 영향을 받으면 힘의 평형을 이루려고 하다보니 도선의 표면에 몰리게되는걸 표면전하라고 한다.
• 전구(저항)의 자유전자가 전기장에 의해 가속도(에너지)를 얻고 저항의 양전하에 충돌해 빛이나 열에너지로 전환한다.

2광년미터 길이의 회로에서 스위치가 닫힐때의 과정을 생각해보자.

1. 배터리에 의해 스위치쪽은 -로 대전되고, 회로의 나머지 부분은 +로 대전된다. (도체내부의의 전기장이 0이될때까지 전자는 재배열된다.)
2. 스위치를 닫게되면 접점부분에서 전압(전기장 힘)에 의해 전자가 + 방향으로 흐르면서 표면전하가 생기고 도선 전체에 전기장이 발생한다.
3. 이 도선의 전기장에 의해 전자가 움직이며 전구의 원자와 충돌되며 불이 켜진다.
4. 하지만 도선을따라 발생한 전기장보다 스위치에서 발생한 전기장이 먼저 전구에 도착한다면 스위치에서 발생한 전기장에 의해 불이 켜진다.

• 물론 전구의 문턱전압을 넘길 힘이여야해서 아주 강한 전압차인 경우에만 가능하다.
• 켜지긴 하지만 순간적으로 밝았다가 약해지고 조금씩 밝아지며 도선의 전기장으로 전자가 강하게 움직이기 시작할때 밝기가 최대가 된다.

끊긴회로의 예시 #

이 회로는 한쪽 끝이 끊겨있게되는데 스위치를 닫았을때 위에서 말했던 전기장에 의해 불이 켜지게된다. 물론 전기장이 끊어진 도선에 도착해서 전자가 더이상 이동되지 못하는 경우 켜진 불이 유지되지는 못할것이다.

이것들이 무선충전의 원리와 비슷하다고 볼 수 있다.

회로가 떨어져 있지만, 가까이에서 서로의 회로에 영향을 주며 전기에너지를 넘겨준다.