전기에 대해 전기 자체를 제외하면 특별히 충격적인 것은 없습니다. 컴퓨터에서 이 글을 읽고 있다면, 여러분은 평생 전기를 사용해 왔을 것입니다. 여러분이 마주치는 대부분의 사물과 시스템은 어떤 식으로든 전기로 가능해졌습니다. 이를 생산하는 기계, 상품과 사람의 조직을 용이하게 하는 기계, 또는 사물 자체를 통해서든 말입니다. 전기로 작동하는 기계는 너무나 흔해서 이해하는 것이 중요합니다. 몇 가지 더 중요한 개념을 살펴보는 동안 참아주세요.
1단계: 충전 및 접지
전기는 전하로 구성되며, 전하된 전자가 축적됩니다.
접지는 과도한 전하를 제거하여 그 전하를 중성화하는 영역입니다.
예를 들어, 전하된 전자는 뇌운에 축적됩니다. 특정 전하 한계에 도달하면 전기는 공기를 이온화하고 플라즈마로 하늘을 가로질러 호를 형성할 수 있습니다. 어느 방향으로든 이동할 수 있지만 번개와 지면 사이의 전하 차이가 크기 때문에 지구를 향해 이동합니다. 자석의 북극과 남극이 끌어당기는 것처럼 음전하와 양전하도 끌어당깁니다.
그러나 만날 때 전하를 유지하는 자석과 달리 전기 전하는 다르게 작동합니다. 구름의 (일반적으로) 음전하가 지구의 훨씬 더 큰 양전하 표면에 부딪히면 지구는 뇌운에서 음전하 입자를 흡수하고 분산시킬 수 있습니다. 이것이 전기 접지가 전하를 중성화한다는 것을 의미합니다. 폭풍 중에 발생하는 것과 동일한 일이 모든 전자 장치에서 훨씬 더 작은 규모로 발생합니다.
2단계: 정적 대 전류
전기에는 정전기와 전류전기라는 두 가지가 있습니다.
정전기는 불균형과 갑작스러운 방전을 일으키는 전자의 축적입니다. 이것은 번개와 같은 종류의 전하이며, 머리카락을 풍선에 문지르면 생깁니다.
전류 전기는 소스와 접지 사이의 전자의 끊임없는 흐름입니다. 이는 전기 장치에 전원을 공급하는 전기 유형입니다. 가장 중요한 것은 와플을 만들 수 있다는 것입니다.
이 수업에서는 전적으로 전류를 다룰 것입니다.
3단계: 도체 대 절연체
간단히 말해서, 전기 도체는 전기가 흐르도록 합니다. 일반적으로 전기 도체는 금속입니다.
절연체는 전기가 흐르는 것을 방지합니다. 일반적으로 절연체는 고무, 목재, 플라스틱과 같은 재료입니다.
4단계: AC/DC
AC/DC에 대해 이야기할 때, 우리는 호주의 하드 록 밴드에 대해 이야기하는 것이 아니라 두 가지 다른 유형의 전류에 대해 이야기하는 것입니다.
교류 또는 AC가 있습니다. 교류 전류라고 불리는 이유는 전기 신호가 전기 접지(0V) 위와 아래에서 번갈아가기 때문입니다. 따라서 위의 12V AC 파형 그림을 보면 전기 접지(왼쪽의 작은 노란색 마커로 표시) 위와 아래에서 번갈아가고 있음을 알 수 있습니다. 이 유형의 파형은 양전압과 음전압 사이에서 끊임없이 변동하는 전류로 구성됩니다.
AC 전기는 집 벽면 소켓에서 나오는 전류 유형입니다. 이는 AC 전기가 다른 유형보다 장거리 전송이 더 쉽기 때문입니다.
다른 유형의 전류는 직류 또는 DC입니다. 이는 지면 위로 직선으로 이동하기 때문에 그렇게 명명되었습니다. 12V DC 전압 공급의 파형을 보면 기본적으로 지면 위로 평행하게 흐르는 실선 노란색 선임을 알 수 있습니다. 이 유형의 전기는 접지면과 분리된 안정적인 양전압으로 구성됩니다.
DC 전기는 배터리에서 나오는 전류 유형으로, 기본적으로는 미리 정해진 양의 전압을 저장하는 특수 용기입니다.
AC 벽면 전류는 또한 정류되어(나중에 자세히 설명) DC 전압이 될 수 있습니다. 기기를 벽면에 꽂았다고 해서 반드시 AC 기기가 되는 것은 아닙니다. 플러그의 라벨을 읽으면 출력 전력을 확인할 수 있습니다.
전압과 전류 외에도 라벨 하단을 주의 깊게 살펴보면 플러그 내부가 양의 DC 전압이고 외부 배럴은 접지되어 있다는 것을 알려주는 그림도 볼 수 있습니다.
5단계: 전압 및 전류
공중으로 공을 던지는 것을 상상해보세요.
전압은 공이 이동하는 속도입니다. 이는 볼트로 측정됩니다. 기호는 대문자 V입니다.
전류는 던지는 공의 크기입니다. 이는 암페어(또는 줄여서 암페어)로 측정됩니다. 기호는 대문자 A입니다.
모든 DC 전기는 전압과 전류가 있다고 생각할 수 있습니다. 이것이 무엇인지 확인하려면 멀티미터를 사용할 수 있습니다.
전압을 측정하려면 직선과 점선(구불구불한 선 아님)이 있는 V로 다이얼을 돌립니다. 이것은 DC 전압을 나타내는 기호로, 이 과정 전반에서 주로 다룰 것입니다. 빨간색 프로브를 볼트 소켓에 꽂습니다. 이것은 V로 표시되어 있거나 빨간색입니다. 검은색 전선을 접지 소켓에 꽂습니다. 이것은 접지, COM으로 표시되어 있거나 검은색입니다.
또한 덤벨이 반으로 부러져 옆으로 떨어진 것처럼 보이는 지면 기호가 옆에 그려져 있을 수도 있습니다.
빨간색 프로브를 배터리의 양극 단자에 놓습니다. 검은색 프로브를 배터리의 접지(또는 "마이너스") 단자에 놓습니다. 약 1.5V의 판독값을 얻어야 합니다.
멀티미터의 프로브를 반대로 하면 미터가 음의 전압 값을 읽는 것을 알 수 있습니다. 그 이유는 DC 전기에는 양전압과 접지전압이 있기 때문입니다.
빨간색 프로브(아마도 양수)의 전압에서 검은색 프로브(아마도 접지)의 전압을 빼면 전압을 결정할 수 있습니다. 따라서 전력과 전압을 올바르게 읽으면 공식은 다음과 같습니다.
그러나 빨간색 선을 접지에 연결하고 검은색 선을 양전압에 연결하면 공식은 실제로 다음과 같이 됩니다.
그 이유는 DC 전기는 한 쪽이 항상 양전압이고 한 쪽(접지)이 항상 0인 극성을 가지고 있기 때문입니다. 전기를 거꾸로 측정하면 거꾸로 측정한 값이 나옵니다. 따라서 음전압 값을 얻는다면 거꾸로 측정한 것입니다! 프로브를 반대로 하세요.
전류를 측정하려면 전압 소켓에서 빨간색 프로브를 뽑고 암페어 정격 소켓에 연결합니다(위 사진에서 "10A MAX"라고 적혀 있는 것을 주목하세요). 그런 다음 다이얼을 A로 돌린 다음 직선과 점선을 돌립니다. 이것이 전류 기호입니다. 읽고 있는 전류에 대한 범위를 선택해야 하는 경우 중간 설정에서 시작하는 것이 좋습니다.
전류 측정은 약간 더 까다롭습니다. 전류를 측정하려면 무언가가 어느 정도 전류를 끌어와야 하기 때문입니다(즉, 전원을 사용). 배터리에서 흐르는 전류량은 배터리에 연결된 것에 따라 다릅니다. 피에조 부저(왼쪽 그림)와 같은 일부 물건은 전류를 약간만 끌어올릴 수 있습니다. DC 모터(오른쪽 그림)와 같은 다른 물건은 배터리에서 많은 전류를 끌어올릴 수 있습니다.
예를 들어, 모터가 얼마나 많은 전류를 소모하는지 보려면 모터의 전원선을 배터리에서 분리하고 그 사이에 멀티미터를 연결합니다. 즉, 멀티미터의 빨간색 프로브를 배터리의 양극 단자에 연결하고 검은색 프로브를 모터의 빨간색 전선에 연결합니다. 이제 모터에 전원이 공급되면 전류가 멀티미터를 통과하고 이를 읽을 수 있습니다. 이 예에서 모터는 70mA(밀리암페어)를 소모합니다.
6단계: 옴의 법칙
옴의 법칙에 들어가기 전에, 공 비유를 다시 살펴보겠습니다. 매우 빠른 속도로 움직이는 작은 공이 있다면, 매우 느린 속도로 움직이는 큰 공과 같은 또는 그 이상의 힘을 가질 수 있습니다. 이런 식으로, 공의 속도, 공의 크기, 공의 잠재적인 힘 사이에 직접적인 관계가 있다고 말할 수 있습니다.
물론, 사실 우리는 공에 대해 이야기하는 것이 아니라 전기에 대해 이야기하고 있습니다. 전기를 다룰 때 전압과 전류는 전력과 직접적인 관계가 있습니다. 회로에서 전력은 와트로 표현됩니다. 이를 나타내는 기호는 W입니다.
여러분은 전구와 관련하여 와트라는 용어를 들어보셨을 것입니다. 모든 전구는 소비하는 전력량으로 측정됩니다.
전구가 소모할 수 있는 와트 수를 알고, 벽면 콘센트에서 120볼트를 받는다면, 필요한 전류량을 추론할 수 있습니다. 60W를 120V로 나누면 0.5암페어의 전력 값이 남습니다. 이 세 가지 사이의 관계로 인해 두 값이 주어지면 세 번째 값을 구할 수 있습니다.
아직 이야기하지 않은 또 다른 요인이 있는데, 그것도 역할을 하는데, 바로 저항입니다. 우리의 비유에서 저항은 공이 앞으로 나아가기 위해 싸워야 하는 역풍입니다. 바람이 없는 날에는 공이 날아가는 데 저항이 거의 없을 수 있지만, 바람이 부는 날에는 바람과 꽤 힘들게 싸워야 할 수도 있습니다. 다시 말하지만, 우리는 실제로 회로의 전기 저항에 대해 이야기하고 있으며 공을 던지는 것에 대해 이야기하고 있는 것이 아닙니다.
저항은 전기의 흐름을 방해합니다. 따라서 저항은 와트, 전압 및 전류와도 직접적인 관계가 있습니다. 저항은 옴(발견자의 이름을 따서)으로 표현됩니다. 와트, 전압, 전류 및 저항 간의 이 수학적 관계는 놀랍지 않게도 옴의 법칙이라고 불립니다.
옴의 법칙은 외워야 할 것은 아니지만 나중에 회로의 저항을 얼마나 가져야 하는지 결정할 때 중요한 역할을 합니다 . 이 법칙 덕분에 최소한의 저항을 갖는 회로는 선택 사항이 아니라 필수입니다. 회로의 에너지는 소모되기 위해 저항을 만나야 합니다. 회로에서 에너지를 사용하는 것은 부하로 간주됩니다. 전기 공급 장치가 에너지를 소모하기 위해 부하 없이 접지에 연결되면 나쁜 일이 발생합니다. 하지만 이에 대해서는 잠시 후에 더 자세히 설명하겠습니다.
또한, 회로도에서 계단형 선을 만나면 배터리 전원 공급 장치를 나타냅니다. 이론적으로 길고 짧은 선의 각 쌍은 하나의 배터리 셀을 나타냅니다. 예를 들어, 이 렌더링은 직렬로 연결된 세 개의 배터리를 나타냅니다. 그러나 사람들은 배터리를 회로도에 그릴 때 성급하게 행동하며 항상 그런 것은 아닙니다. 나열된 공급 전압을 찾으십시오.
7단계: 직렬 및 병렬
회로를 구축할 때 기본적으로 부하를 연결할 수 있는 방법은 두 가지가 있습니다. 직렬 또는 병렬입니다.
전기 부품을 직렬로 연결하면 일렬로 정렬됩니다.
따라서 전구를 뽑는 것과 같이 어떤 식으로든 회로를 끊으면 전기가 계속 흐를 경로가 없고 전체 연결이 끊어집니다.
또는 전구를 병렬로 연결하여 이 문제를 방지할 수 있습니다. 이런 방식으로 연결하면 나란히 연결되고 양쪽 끝에서 동일한 전기 연결을 공유합니다.
따라서 전구 하나를 뽑으면 전기가 다른 전구를 통해 제한 없이 계속 흐를 수 있습니다.
8단계: 배터리에 대한 모든 것
가장 일반적으로 접하게 될 배터리 유형은 표준 원통형 건전지입니다. 가장 주목할 만한 것은 AAA, AA, C, D 배터리입니다. 이러한 배터리에 대해 알아야 할 중요한 점은 크기가 다르지만 모두 1.5V로 정격이 매겨진다는 것입니다(V는 볼트의 약자입니다).
크기가 커질수록 생산할 수 있는 전력량이 달라집니다. AD 배터리는 AAA 배터리보다 훨씬 더 오랫동안 전력을 공급할 수 있습니다. 즉, 더 큰 배터리는 더 작은 배터리보다 더 오랜 시간 동안 더 많은 암페어를 공급할 수 있습니다.
배터리는 암페어-시간 또는 Ah로 측정됩니다. 이는 기본적으로 1시간 동안 배터리에서 얼마나 많은 암페어를 끌어낼 수 있는지 측정하는 것입니다. 예를 들어, 20Ah 배터리는 20시간 동안 1암페어를 끌어낼 수 있습니다. 그러나 거대한 로봇을 만들고 시간당 5암페어가 필요하다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 동일한 배터리를 사용하여 로봇을 약 4시간 동안 작동시킬 수 있습니다(20Ah / 5A = 4시간).
영어: 이제 1.5V가 그렇게 크지 않다는 것을 깨달았을 것입니다. 왜 그냥 9V 배터리를 사용하지 않는지 궁금할 것입니다. 9V 배터리는 1.5V 배터리보다 더 많은 전력을 생산합니다.
사실 이는 사실이 아닙니다. 9V 배터리는 실제로 전력을 생산하는 데 전혀 좋지 않습니다. 9V 배터리를 생각하는 좋은 방법은 정말 작은 1.5V 배터리 6개가 내부에 뭉쳐 있다고 상상하는 것입니다. 사실, 9V를 분해하면 본질적으로 그것이 내부에 있습니다. 이제 예를 들어 AA 배터리 6개의 크기와 비교해보세요. 9V 배터리는 비교적 작습니다!
9V 배터리가 유용한 유일한 경우는 많은 전류가 필요하지 않고 작은 인클로저에 맞춰야 하는 프로젝트에 비교적 높은 전압이 필요할 때입니다.
그럼, 배터리가 1.5V에 불과하다면 어떻게 전원을 공급할 수 있을지 궁금할 것입니다. 답은 간단합니다. 직렬로 연결합니다. 즉, 앞뒤로 일렬로 연결합니다. 따라서 한 배터리의 양극(플러스)이 다음 배터리의 접지(마이너스)에 연결되고, 이런 식으로 계속됩니다. 그런 다음 직렬로 연결된 각 배터리에 1.5V를 더하기만 하면 새 전압을 계산할 수 있습니다. 따라서 1.5V 배터리 3개를 직렬로 연결했다면 1.5V에 3을 곱하여 총 4.5V를 얻을 수 있습니다.
배터리를 직렬로 연결하는 가장 쉬운 방법은 배터리 홀더를 사용하는 것입니다. 배터리 홀더가 제공하는 전압을 계산하려면 배터리 홀더가 보유한 배터리 수를 세고 1.5V를 곱하기만 하면 됩니다. 직렬로 연결된 다른 배터리 세트와 마찬가지입니다. 따라서 4셀 배터리 홀더는 6V의 전력을 생성합니다(1.5V x 4 = 6V).
제공된 전원에 접근하려면 빨간색 전선을 프로젝트의 양극 단자에 연결하고 검은색 전선을 접지에 연결하기만 하면 됩니다. 앞서 말했듯이 빨간색 전선은 항상 양극 전압을 나타내고 검은색은 항상 접지를 나타냅니다.
동일한 전압 정격을 갖는 한 배터리를 나란히 병렬로 연결할 수도 있습니다. 전원을 병렬로 연결하면 전압은 동일하게 유지되지만 사용 가능한 전류량은 증가합니다. 이는 단일 배터리로 회로에 전력을 공급하기에 충분한 전류를 공급하지 못할 때 유용합니다.
이 방법은 배터리 전압이 정확히 동일할 때만 효과가 있으며 가능하면 피해야 합니다. 적절한 다이오드 보호 회로가 없으면 배터리 간 전압 변동으로 인해 배터리가 서로를 충전하려고 하게 되어 수명이 줄어듭니다.
9단계: 회로
회로는 전기가 자유롭게 흐를 수 있는 닫힌 전도성 루프입니다. 기본적으로 회로는 전기가 전원과 접지 사이를 흐를 수 있도록 직렬 또는 병렬로 연결된 여러 가지입니다. 이는 배터리 소스와 모터처럼 간단할 수도 있고, 휴대전화처럼 복잡할 수도 있습니다.
DC 회로에서 전력은 항상 전원(양전압)과 접지 사이로 흐릅니다.
전기 회로가 작동하려면 전기가 흐를 수 있는 경로가 있어야 합니다. 사실, 여러 경로가 주어지면 전기는 항상 접지에 대한 저항이 가장 적은 경로를 따라 이동합니다. 즉, 전기는 항상 장애물이 가장 적은 가장 짧은 경로를 선택합니다. 회로에서 저항을 생성하는 모든 전자 부품은 기본적으로 전기 흐름에 대한 장애물입니다.
이 말을 듣고, 이런 장애물을 제거하고 직접 연결하여 전기를 접지로 가장 쉽게 연결할 수 있는 경로를 제공해야 한다고 생각할 수 있습니다. 그러나 - 강조해야 할 중요한 점은 - 절대 양전압원을 접지에 직접 연결해서는 안 된다는 것입니다 . 모든 장애물을 완전히 제거하면 전자 장치의 본래 목적이 무너진다는 사실 외에도, 이것은 매우 나쁜 생각입니다.
옴의 법칙의 다른 기본 개념 중 하나는 전기가 회로에서 최소한의 저항을 받고 스스로를 소모할 수 있어야 한다는 것입니다. 전원과 접지를 직접 연결하면 소모할 방법이 없는 많은 에너지가 생깁니다. 그러면 회로는 이 사용되지 않은 에너지를 매우 반사회적인 방식으로 방출하려고 시도합니다. 기본적으로 에너지는 열로 변합니다. 그러나 특별히 따뜻하게 할 것이 없으면 전원이나 전선이 극적으로 가열되기 시작합니다. 이는 잠재적으로 전원 공급 장치 손상, 전선 녹음, 화재 또는 잠재적으로 폭발로 이어질 수 있습니다.
이 현상의 또 다른 이름은 "단락"입니다. 이 용어를 들어보셨을 것입니다.
기본적으로 전원과 접지 연결을 주의 깊게 살펴보고 교차하지 않도록 하십시오. 회로의 "마법의 연기"를 방출하지 마십시오.