1-1. 회로 이론 기본 개념

회로이론 강의에 들어가기에 앞서서 일단 개념부터 잡고 들어가려고 합니다. 제가 회로에서 구성요소를 일단 크게 이렇게 3가지로 나눠봤는데요. 첫 번째는 전원입니다. 전원은 회로에 전력을 공급하는 소자들을 이렇게 기호 모양으로 표시한 건데요. 크게 나누면 전압원과 전류원이 있고 전압원이라고 하는 애는, 이 전압원을 기준으로 마이너스쪽에 있는 그 포인트보다 플러스쪽에 있는 포인트를 이만큼의 전압을 높여주는 그런 역할을 하는 기호이고요. 전류원이라고 하는 애는 이렇게 화살표 형태로 되어 있는데요. 이 화살표 형태를 따라서 끊겨지지 않는 이 하나의 패스에 대해서 일정한 전류를 유지시켜주는 전력소자입니다. 두 번째는 소자에 대해서 알아보려고 하는데요. 소자는 저항, 인덕터, 캐패시터 이런 것들이 소자에 속하면서 이 전압원, 전원들이 공급한 그 전력을 소모하거나 아니면 이용하는 그런 컴포넌트들을 소자로 분류를 하였습니다. 그리고 이제 마지막으로는 표기가 있는데요. 표기라고 하는 거는 실제로 이 회로를 구성하는 요소 즉, 전력을 공급하거나 사용하지는 않지만 우리가 회로를 분석하기에 있어서 용이하거나 아니면 교수님들이 주로 시험문제로 내시는 그런 것들이 이 모두 표기에 들어갑니다. 그래서 예를 들면 이런 전류, 전류 방향을 통해서 이렇게 전류라고 써 있는 거는 실제로 전류가 이 방향으로 흐른다는 이야기가 아니라 전류가 어떤 방향으로 흐르든지 이 방향으로 흐르는 놈에 대한 이야기입니다. 예를 들면 1A가 이렇게, 1mA가 흘렀을 때 이 노테이션에 해당하는 전류는 반대 방향이니까 마이너스 1mA, 이런 식으로 되는 거고요. 그다음에 이런 점에 대한 표현 이런 것들이 있을 수 있어요, 그래서 이런 것들은 어떤 전압을 나타낼 때, Vab, Vba 이런 거를 나타낼 때 이해하기 좋기 위한, 그런 표기이고요. 그리고 마지막 표기로는 접지가 있어요. 접지라는 거를 표기로 잡을까 소자로 잡을까 고민을 많이 했는데요, 접지가 두 가지 종류가 있습니다. 하나 접지는 우리가 실제로 세탁기나 아니면 전자제품 아니면 220V 콘센트에 두 개가 아니라 튀어나온 거 하나 있죠. 그게 이제 접지인데. 그 어떤, 지구랑 이렇게, 땅 큰 물체랑 연결되어가지고 여기는 절대적으로 0V다, 이렇게 만들어주는 그런 의미의 접지가 있고요. 그다음에 하나는 상대적인 접지가 있습니다. 예를 들어서, 우리 핸드폰 같은 거 생각해보세요. 거기에서는 절대적으로 땅이랑 맞닿아있는 부분이 없으니까 핸드폰에 있는 곳은 어떤 전위를 절대적으로 얘기하기 어려워요. 그래서 거기 중에 임의로 우리가 통상적으로는 배터리의 마이너스쪽을 우리가 가르키는데요. 아무데나 해도 상관은 없어요, 왜냐하면 상대적인 거기 때문에. 그래서 이런 표시를 달면, 이 두 개가 같이 있는 경우는 거의 없는데 이게 없이 이거만 있을 때는 여기를 0V다, 이렇게 생각을 하시고 그러면 얘가 아까 여기서 3V를 높여주는 애라고 그랬죠. 그러면 이거를 적용해봤을 때 여기는, 3V구나. 이런 식으로 이제 회로 개념이 잡히게 됩니다. 그래서 방금전에 잡은 개념을 가지고 실질적인 정의를 설명하는 부분으로 넘어갈 거예요. 회로에 중요한 정의들은 이렇게 여섯 가지 정도가 있어요. 전압과 전위, 전류와 전하량 그리고 저항과 저항에 의한 전압강하. 이렇게 있는데 이것들을 이 간단한 하나 저항 하나짜리 회로를 통해서 설명을 드리도록 하겠습니다. 맨 처음은 전압과 전위입니다. 제가 아까전에 접지, 아니면 소자, 전압원 이런 설명을 하면서 두 개의 개념을 중간중간에 넣어가면서 설명을 드렸어요. 그거를 정확하게 정의를 말씀을 드리자면 전위라고 하는 거는 어떤 특정 포인트의 전기적 위치에너지예요. 그래서 말씀을 드리자면 이런 한 포인트에 대해서 얘가 얼마만큼 위치에너지를 가지고 있는지 위치에너지라고 하는 개념이 익숙하지 않으시면 우리 공을, 운동에너지, 이런 역학쪽에서 쓰이는 위치에너지 개념을 생각을 해보세요. 공을 어떤 높은 위치에너지에 놓았다는 이야기는 이게 딱 놨을 때 빠른 속도로 떨어질만한 그 포텐셜, 잠재적 능력을 가지고 있다. 이런 거를 의미하죠. 전기적 위치에너지도 마찬가지예요. 이런 전압원을 통해서 전기적 위치에너지를 갖게 되고 그거를 이제 저항을 통해서 소모할 수 있도록 그런 잠재적인 힘, 그거를 이제 전기적인 위치에너지라고 하는데 전위는 어떤 특정 포인트가 가지고 있는 위치적인 에너지를 말을 하는 거고요. 그럼 전압은 뭐냐. 우리가 보통 그런 거를 전압이라고 그러지 않느냐라고 말씀을 하시는데 전압이라는 것은 어떤 두 포인트 사이에 상대적인 위치에너지 차이를 의미하는 거예요. 그래서 사람들이 혼동을 해서 어떤 특정 포인트 가지고 여기 전압얼마, 여기 전압얼마 이렇게 말씀을 하시는데 그거는 우리가 가상으로 잡은 이 접지포인트 대비 상대적인 전기적인 위치 에너지 그거를 전압이라고 하기 때문에 생략하고 어떤 한 점에 대해서만 전압을 말씀하시는 경우도 있어요. 하지만 정확한 정의는 전압은 두 포인트 전위는 한 포인트입니다. 그래서 이런 식으로 전압, ab사이의 전압은 b 마이너스 a라는 두 개의 전위로 표현을 할 수가 있는데 여기서 가장 중요해야 될 거는 이 순서예요. a부터 시작해서 b면, a에서 b빼면 좀 좋아. 이거 왜 이렇게 했느냐라고 많이 헷갈려하세요, 시험 볼 때. 근데 이렇게 하면 안 헷갈리실 거예요. a기준 b의 전위. 생각해보세요. 우리가 어떤 산이 이렇게 있어요. 산이 이렇게 있는데 해발고도가 만약에 0m라고 우리가 보통 정의를 하지만 우리가 어떤 땅굴이 있어요, 그래서 땅굴 기준으로 해발고도가 한 10m정도의, 아니 해발고도래. 지평면이 10m 정도에 있고, 한라산이 백두산이 해발 고도가 2700m 이런 식으로 있어요. 지표면 대비 백두산의 높이는 어떻게 우리가 계산을 하죠. 백두산에서 지표면을 빼잖아요. 지표면에서 백두산 빼는 게 아니라, 이것도 마찬가지예요. a기준 b의 전압은, b의 전압에서 b의 전위에서 a의 전위를 빼서 나오게 되는 거죠. 그래서 이런 식으로 전압과 전위 개념 헷갈리시면 안 되고요. 그다음은 전류와 전하량에 대해서 알아보도록 하겠습니다. 전류는 우리가 많이 들었죠. 전류, 이렇게 전하의 흐름. 그래서 전자의 흐름과 전류의 방향은 반대다. 이런 개념 많이 우리 중고등학교 때 배웠어요. 그러면 전하량이라는 거는 뭐고 둘 사이에 어떤 관계가 있느냐. 그거는 전류의 정의를 명확하게 알면 자동으로 해결되는 문제예요. 전류의 정의라는 거는 이 어떤 도선에서 전류가 흐르고 있을 때 거기를 이렇게 딱 단면을 잘라요. 그러면 그 단면을 1초동안 통과한 전하량이에요. 그러면 이거를 통해서 우리가 역산을 해서 전하량이라는 거는 뭐냐, 생각을 해보면 어떤 전류가 흐르고 있을 때, 그 전류가 흐른 그 어떤 특정 시간 동안의 총 전하의 양, 그거를 전하량이라고 그래요. 그래서 1초동안의 거를 몇 초동안인지 곱하면 총량이 나오겠죠. 그러면 거꾸로 전류는 뭐예요. 전류는 전하량을 시간으로 나누면 1초동안 흐른 게 나오게 되겠죠. 이런 식으로 전류와 전하량 구하는 문제 많이 나옵니다. 이거 개념 챙겨두시고요. 이번에는 저항에 대해서 알아볼건데 저항을 전압 강하라는 측면에서 알아볼 거예요. 저항이라고 하는 단어에서 어떤 게 느껴지세요. 뭔가를 저항한다, 막는다, 이런 느낌이 드시는데 그거를 생각해보면 무슨 전류량이 감소할 것 같고 이렇잖아요. 근데 사실은 그렇지 않습니다. 전류는 어떤 분기점이 있지 않는이상 계속 똑같은 전류가 흘러요. 그러면 저항이 저항하고자 하는 거는 뭐냐. 그거는 전기적인 위치에너지를 이제 감소시키는 그 저항인데요. 그래서 저항을 지나면, 전기적인 위치에너지가 떨어지게 되어 있어요. 그래서 얼마만큼 떨어지냐, 이거를 생각해보시면 거기서 옴의 법칙이 나오게 되는 건데 옴의 법칙, V=IR 우리가 F=ma처럼 굉장히 기본적인 공식이죠, 전기에서. 그래서 여기서 보시면 이 사이에 전기적인 위치에너지가 떨어지는 양이 I곱하기 R만큼 떨어진다. 그게 바로 이제 저항의 전압강하에서의 역할인 거예요. 여기서 하나 더 주의해야 될 포인트는 전류의 방향으로 갔을 때 전압이 떨어지는 거예요. 그래서 저항을 만났을 때 여기 기준 대비 여기, 이렇게 생각하면 전압이 오히려 상승한 것처럼 생각이 되실 수 있어서, 아니 이거 저항이 떨어진다 그랬는데 왜 언제는 상승하고 언제는 하강하냐. 이렇게 생각하실 수 있는데 우리가 물줄기 생각해보세요. 물줄기 떨어지면서 막아야 그게 저항이 되는 거죠. 그럼 물줄기 방향으로 가면서 봐야죠. 그래서 물줄기 방향으로 가면서 봤을 때 여기 대비 여기가 떨어진다. 그래서 만약에 저항이 이렇게 되어 있고 전류가 이 방향으로 흐른다면 여기서 전압이 좀 더 높은 전위가 더 높은 포인트는 Vb가 되겠죠.