직류회로

열손실과 기전력

자유전자가 원자와 충돌할 때 전자는 전기장에 의해 얻은 에너지를 잃어버리게 된다. 이 에너지는 전자나 제멋대로의 운동이나 원자의 무질서한 진동의 정도를 높여주게 되는 데 이는 곧 금속의 열에너지가 커져서 온도가 높아지는 것을 말한다. 언제나 에너지 보존법칙은 성립하는 데 전기적인 에너지가 열에너지로 형태를 변환한 것으로 이해할 수 있다. 저항 $R$인 도체에 $V$의 전위차가 있어 전류 $I$가 흐를 때의 열손실은 얼마나 될까?

도선 속을 흐르는 $Q$의 전하가 전위차가 $V$인 도선의 양단을 가로질러서 가게 되면 $U=qV$의 에너지를 얻어야 한다. 그러나 이 에너지는 모두 충돌에 의해 잃어버리게 된다. 따라서 이렇게 잃는 일률은 \[ P = \frac{dU}{dt} = \frac{dQ}{dt} V = IV \] 이 식은 \[ P=I^2R, \quad P=\frac{V^2}{R} \] 의 형태로도 쓸 수 있다. 이를 전력이라 하기도 하는 데 전력의 단위는 일률의 단위인 watt(W)로서 volt에 ampere를 곱한 것과 같다.

_ 자유전자_ 전기장_ 온도_ 진동_ 전위_ 전류_ 저항_ 전하_ 도체

기전력

저항이 있는 도선에 지속적으로 전류를 흐르게 하기 위해서는 열손실을 보충하여 전기적인 에너지를 계속 공급하는 원천이 있어야 한다. 이를 전원이라 하는 데 전지나 발전기는 그러한 역할을 한다. 이러한 전원은 화학적 에너지나 다른 형태의 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주게 되는 데 전지는 화학적 에너지를, 발전기는 역학적 에너지를, 태양전지는 빛의 에너지를 이용한다.

전원은 저항체의 양단 전위차를 일정하게 유지시켜주는 능력이 있는 데 이 전위차를 기전력(emf: $\mathcal{E}$)이라 하여 전원의 능력으로 삼는다. 실제로 전원의 내부에서는 끊임없이 전하를 기전력만큼 높은 전위로 올려주어야 하는 데 이 과정에서의 전하 $q$에 해주는 일은 \[ W = \mathcal{E} q \] 이 에너지는 결국 전하가 저항체를 돌아서 전원으로 되돌아오면 모두 잃어버리게 된다.

_ 발전기_ 전위_ 전류_ 저항_ 전하

직류회로

시간에 따라 변하지 않는 기전력을 직류전원이라 하고 이 직류전원이 축전기나 저항 등에 연결된 회로를 직류회로라고 한다. 보통의 회로에는 저항이나 축전기 등을 여러 가지로 조합하여 사용하게 되는 데 이 중에서 저항을 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 경우 그것의 전체적인 효과를 알아보는 것이 회로이론의 기초가 된다.

저항의 직렬연결

\[ R = R_1 + R_2 + ... \]

저항의 병렬연결

\[ \frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... \]

_ 축전기_ 전위_ 전류_ 저항