[회로이론 #2] 회로이론의 목표 전압과 전류

 회로이론을 회로의 전기적 특성을 해석하기 위한 이론입니다. 여기서 회로의 전기적 특성을 해석한다는 의미는 회로의 특정한 지점에서 특정한 시점에 전압과 전류를 알아내는 것을 의미합니다. 즉, 회로이론의 목표는 회로의 어떤한 지점에 특정한 순간에 전압과 전류의 값을 구하는 것입니다.

 이번 회로이론 #2 포스팅에서는 회로이론을 학습하기에 앞서서 우리가 구하려고 하는 접압과 전류가 무엇인지 명확하게 정의하고 직관적으로 전압과 전류의 개념을 받아들일 수 있도록 물을 예로들어 설명해보려고 합니다.

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 전압과 전류를 정의하기 위해서는 지난 포스팅(회로이론 #1)에서 소개했던 전하라는 개념을 먼저 이해하고 있어야 합니다. 간략하게 복습하면 전하는 '전기적인 힘을 발생시키는 속성'을 말합니다.

 

 전압이란? 쌍으로 존재하는 양전화와 음전하를 분리시키면 같은 속성의 전하끼리는 밀어내려는 힘이 발생하고, 다른 속성의 전하끼리는 잡아당기는 힘이 발생하는데 바로 이 힘을 발생시키기 위한 에너지(분리된 전하가 가지고 있는 에너지)를 전압이라고 합니다. 그리고 그 단위는 Voltage[V]를 사용합니다.

 이러한 전압에 의해 전하가 이동하면 이를 '전류'라고 합니다. 즉 전하의 흐름을 전류라고 합니다. 그리고 그 단위는 Ampere[A]를 사용합니다.

 

 즉, 전압은 단위 전하가 분리될 때 발생하는 에너지량을 말하므로

 이를, v= dw/dq         (v= 전압, w=에너지, q=전하)로 표현할 수 있습니다.

전류(전하의 흐름)의 크기를 정량적으로 표현하기 위해서 단위 시간당, 단위 면적에 흐른 전류의 양을 전류라고 하는데,

 이는, i= dq/dt             (i=전류, q=전하, t=시간)로 표현할 수 있습니다. 

 

 단순히 회로의 전압과 전류 관계를 해석하는 것은 위의 정의를 아는 것만으로도 충분하지만 회로를 설계하기 위해서는 전압과 전류에 대한 직관적인 이해가 필수적입니다.

 전압과 전류의 관계를 직관적으로 이해하는 받아들이는 것을 돕기위해서

전하 =물

전압 = 물을 땅에서 분리 시키기 위한 에너지

전류 =물의 흐름에 비교해서 설명해보겠습니다.

 물을 바닥에서 분리시켜 높은 위치에 가져다 놓으면 , 밑으로 내려가려는 힘이 물에 작용하고, 물이 바닥으로 흘러내려 갑니다. 여기서 물을 바닥으로부터 분리시켜 놓는 것은 전하를 서로 분리시키는 것과 유사하고, 물에 바닥으로 내려가는 힘이 작용하는 것은 전하가 분리되어 전하에 힘이 작용하는 것과 유사하고, 물의 흐름은 전류와 유사합니다. 

 추가로, 이때 물을 바닥으로부터 높은 위치에 가져다 놓기 위한 에너지가 바로 전압과 유사합니다.

 회로를 해석할 때는 관계식을 세워서 계산만 잘하면 되지만, 회로를 설계할 때는 전압 전류에대한 직관적인 이해를 하고 있어야 가능합니다. 전하에 분리와 이동에 의한 전압 전류의 개념을 반드시 직관적으로 이해해야 합니다.

 위의 예를 들어 다시 한번 설명하면, 더 많은 양의 물을 더 높은 위치에 가져다 놓기 위해서는 더 많은 에너지가 필요할 것이고, 그 결과 더 많은 양의 물이 흐를 것입니다. 전하도 마찬가지 입니다. 더 많은 양의 전하를 분리하면 더 큰 전압이 있는 것이고, 그 결과 더 많은 양의 전하가 흐르므로 전류의 크기도 커집니다. 

 즉, 전압이 커지면, 전류도 커집니다.