연속적인 전하 흐름이 발생하기 전에 단순한 연속적인 경로(즉, 회로) 이상이 필요합니다. 또한 이러한 전하 캐리어를 회로 주변으로 밀어낼 수단도 필요합니다. 튜브 속의 구슬이나 파이프 속의 물과 마찬가지로, 흐름을 시작하려면 어떤 종류의 영향력 있는 힘이 필요합니다. 전자의 경우, 이 힘은 정전기에서 작용하는 힘과 동일합니다. 즉, 전하의 불균형으로 인해 생성되는 힘입니다. 서로 문지른 왁스와 양모의 예를 들어보면, 왁스의 전자 과잉(음전하)과 양모의 전자 부족(양전하)이 두 물체 사이에 전하 불균형을 만듭니다. 이 불균형은 두 물체 사이의 인력으로 나타납니다.
대전된 왁스와 양모 사이에 전도성 전선을 놓으면 왁스에 있는 과잉 전자 중 일부가 전선을 통해 양모로 돌아가면서 전자 부족을 채우면서 전자가 전선을 통해 흐릅니다.
왁스의 원자와 양모의 원자 사이의 전자 불균형은 두 재료 사이에 힘을 생성합니다. 전자가 왁스에서 양모로 흐를 경로가 없기 때문에 이 힘은 두 물체를 서로 끌어당기는 것뿐입니다. 그러나 이제 도체가 절연 갭을 연결했기 때문에 힘은 전자가 와이어를 통해 균일한 방향으로 흐르도록 유도합니다. 단, 해당 영역의 전하가 중성화되고 왁스와 양모 사이의 힘이 약해질 때까지 잠깐 동안만이라도 그렇게 합니다. 이 두 재료를 서로 문지르면서 형성된 전하는 일정량의 에너지를 저장하는 역할을 합니다. 이 에너지는 낮은 수위의 연못에서 펌핑한 물이 많은 저수지에 저장된 에너지와 비슷합니다.
저수지의 물에 대한 중력의 영향은 물을 다시 낮은 수준으로 옮기려는 힘을 생성합니다. 저수지에서 연못으로 다시 적합한 파이프를 설치하면, 중력의 영향으로 물이 저수지에서 파이프를 통해 아래로 흐릅니다.
저수위 연못에서 고수위 저수지로 물을 펌핑하려면 에너지가 필요하고, 파이프를 통해 물이 원래 수위로 다시 내려가는 것은 이전 펌핑에서 저장된 에너지가 방출되는 것을 구성합니다. 물이 더 높은 수위로 펌핑되면 그렇게 하는 데 더 많은 에너지가 필요하므로 더 많은 에너지가 저장되고, 물이 파이프를 통해 다시 흐르도록 하면 더 많은 에너지가 방출됩니다.
전자도 크게 다르지 않습니다. 왁스와 양모를 문지르면 전자를 정상적인 "레벨에서 "펌핑"하여 전자가 이전 위치(및 해당 원자 내 균형)를 재확립하려고 하면서 왁스와 양모 사이에 힘이 존재하는 조건을 만듭니다. 전자를 원자의 양전하 핵 주위의 원래 위치로 다시 끌어당기는 힘은 중력이 저수지의 물에 가하는 힘과 유사하여 물을 이전 레벨로 끌어내리려고 합니다. 물을 더 높은 레벨로 펌핑하면 에너지가 저장되는 것처럼 전자를 "펌핑"하여 전하 불균형을 만들면 그 불균형에 일정량의 에너지가 저장됩니다. 그리고 저수지의 높이에서 물이 다시 흘러내릴 수 있는 방법을 제공하면 저장된 에너지가 방출되는 것처럼 전자가 원래 "레벨"로 다시 흐를 수 있는 방법을 제공하면 저장된 에너지가 방출됩니다. 전하 운반자가 그러한 정적 상태(저수지 높은 곳에 있는 물이 고정되어 있는 것과 같음)에 있을 때, 거기에 저장된 에너지를 위치 에너지 라고 합니다 . 왜냐하면 아직 완전히 실현되지 않은 방출 가능성(잠재력)을 가지고 있기 때문입니다.
전압 개념 이해
전하 운반체가 정적 상태(저수지 높은 곳에 있는 물이 가만히 있는 것과 같음)에 있을 때, 거기에 저장된 에너지를 위치 에너지라고 합니다. 아직 완전히 실현되지 않은 방출 가능성(잠재력)이 있기 때문입니다. 건조한 날에 고무창 신발을 패브릭 카펫에 문지르면 자신과 카펫 사이에 전하 불균형이 생깁니다. 발을 문지르는 동작은 원래 위치에서 강제로 밀려난 전하의 불균형 형태로 에너지를 저장합니다. 이 전하(정전기)는 고정되어 있으며 에너지가 저장되고 있다는 것을 전혀 깨닫지 못할 것입니다. 그러나 손을 금속 문 손잡이(전기 전하를 중성화하는 많은 전자 이동성이 있음)에 대면 저장된 에너지가 손을 통한 갑작스러운 전하 흐름의 형태로 방출되고 전기 충격으로 인식하게 됩니다! 전하 불균형의 형태로 저장되고 도체를 통해 전하 캐리어가 흐르도록 할 수 있는 이러한 잠재 에너지는 전압이라는 용어로 표현될 수 있습니다. 이는 기술적으로는 단위 전하당 잠재 에너지를 측정하는 단위이며 물리학자는 이를 특정 잠재 에너지라고 부릅니다.
전압의 정의
정전기의 맥락에서 정의된 전압은 단위 전하를 한 위치에서 다른 위치로 옮기는 데 필요한 작업의 척도이며, 전하의 균형을 유지하려는 힘에 대항합니다. 전기 전원의 맥락에서 전압은 도체를 통해 전하를 옮기는 데 사용할 수 있는 단위 전하당 사용 가능한 잠재 에너지(수행해야 할 작업)의 양입니다. 전압은 전하가 한 "레벨"에서 다른 "레벨"로 이동할 때 에너지가 방출될 가능성 또는 잠재력을 나타내는 잠재 에너지의 표현이므로 항상 두 지점 사이를 참조합니다. 물 저장소 비유를 생각해 보세요.
낙하 높이의 차이로 인해 위치 2로 가는 파이프를 통해 저장고에서 위치 1로 가는 것보다 훨씬 더 많은 에너지가 방출될 가능성이 있습니다. 이 원리는 돌을 떨어뜨리는 것에서 직관적으로 이해할 수 있습니다. 1피트 높이에서 떨어진 돌과 1마일 높이에서 떨어진 같은 돌 중 어느 것이 더 격렬한 충격으로 이어질까요? 분명히 높이가 더 높은 곳에서 떨어질수록 더 큰 에너지가 방출됩니다(더 격렬한 충격). 물의 양을 측정하는 것만으로 물 저장고에 저장된 에너지의 양을 평가할 수 없는 것처럼, 바위의 무게만 아는 것만으로 떨어지는 바위의 충격의 심각성을 예측할 수 없습니다. 두 경우 모두 이러한 질량이 초기 높이에서 얼마나 떨어질지도 고려해야 합니다 . 질량이 떨어지면서 방출되는 에너지의 양은 시작점과 끝점 사이의 거리에 상대적입니다. 마찬가지로 전하 캐리어를 한 지점에서 다른 지점으로 옮기는 데 사용할 수 있는 잠재 에너지는 두 지점에 상대적입니다. 따라서 전압은 항상 두 지점 사이의 양으로 표현됩니다 . 흥미로운 점은, 한 높이에서 다른 높이로 질량이 잠재적으로 '떨어진다'는 비유가 너무나 적절한 모델이어서 두 지점 사이의 전압을 때때로 전압 강하라고 부르기도 한다는 것입니다 .
전압 생성
전압은 특정 유형의 재료를 서로 마찰하는 것 외의 다른 방법으로 생성될 수 있습니다. 화학 반응, 복사 에너지, 도체에 대한 자기의 영향은 전압이 생성될 수 있는 몇 가지 방법입니다. 이 세 가지 전압 소스의 각각의 예로는 배터리 , 태양 전지, 발전기(예: 자동차 보닛 아래의 "교류 발전기" 장치)가 있습니다. 지금은 이러한 각 전압 소스가 어떻게 작동하는지에 대해 자세히 설명하지 않겠습니다. 더 중요한 것은 전압 소스를 적용하여 전기 회로에서 전하 흐름을 생성하는 방법을 이해하는 것입니다. 화학 배터리의 기호를 사용하여 단계별로 회로를 구축해 보겠습니다.
전압원은 어떻게 작동하나요?
배터리를 포함한 모든 전압원은 전기적 접촉을 위한 두 지점을 갖습니다. 이 경우 위 다이어그램에서 지점 1과 지점 2가 있습니다. 길이가 다른 수평선은 이것이 배터리임을 나타내며, 이 배터리의 전압이 회로를 통해 전하 캐리어를 밀어내려는 방향을 추가로 나타냅니다. 배터리 기호의 수평선이 분리되어 있어 전하 흐름의 경로로 사용할 수 없다는 사실은 걱정할 필요가 없습니다. 실제로 이러한 수평선은 전하를 전도할 뿐만 아니라 판과 상호 작용하여 전하를 밀어내는 전압을 생성하는 액체 또는 반고체 물질에 담긴 금속판을 나타냅니다. 배터리 기호 바로 왼쪽에 있는 작은 "+" 및 "-" 기호에 주목하세요. 배터리의 음극(-) 끝은 항상 가장 짧은 대시가 있는 끝이고, 배터리의 양극(+) 끝은 항상 가장 긴 대시가 있는 끝입니다. 배터리의 양극은 전하 캐리어를 밀어내려는 끝입니다(관례적으로 전자는 음전하이지만 전하 캐리어는 양전하로 간주한다는 것을 기억하세요). 마찬가지로 음극은 전하 캐리어를 끌어당기려는 끝입니다. 배터리의 "+"와 "-" 끝이 아무것에도 연결되지 않으면 두 지점 사이에 전압이 있지만 전하 캐리어가 이동할 수 있는 연속 경로가 없기 때문에 배터리를 통한 전하 흐름은 없습니다.
물 저장고와 펌프 비유에도 같은 원리가 적용됩니다. 연못으로 돌아가는 복귀 파이프가 없으면 저장고에 저장된 에너지는 물 흐름의 형태로 방출될 수 없습니다. 저장고가 완전히 채워지면 펌프가 아무리 많은 압력을 생성하더라도 흐름이 발생할 수 없습니다. 물이 연못에서 저장고로 흐르고 연못으로 다시 돌아오려면 완전한 경로(회로)가 있어야 연속 흐름이 발생합니다. 배터리의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 전선을 연결하여 배터리에 이러한 경로를 제공할 수 있습니다. 전선 루프로 회로를 형성하면 시계 방향으로 연속적인 전하 흐름을 시작합니다.
전류 개념 이해
배터리가 전압을 계속 생성하고 전기 경로의 연속성이 끊어지지 않는 한, 전하 캐리어는 회로에서 계속 흐릅니다. 파이프를 통해 움직이는 물의 은유에 따라, 회로를 통한 이러한 연속적이고 균일한 전하 흐름을 전류라고 합니다 . 전압원이 같은 방향으로 계속 "밀어내는" 한, 전하 캐리어는 회로에서 같은 방향으로 계속 이동합니다. 이러한 단일 방향의 전류 흐름을 직류 또는 DC라고 합니다. 이 책 시리즈의 두 번째 권에서는 전류의 방향이 앞뒤로 전환되는 전기 회로를 살펴봅니다. 교류 또는 AC입니다. 하지만 지금은 DC 회로에 대해서만 다루겠습니다. 전류는 개별 전하 캐리어가 튜브를 통한 구슬이나 파이프를 통한 물과 마찬가지로 도체를 따라 움직이고 앞에 있는 전하 캐리어를 밀어서 일치하게 흐르기 때문에 단일 회로 전체의 흐름량은 어느 지점에서나 동일합니다. 단일 회로에서 전선의 단면을 모니터링하고, 흐르는 전하 캐리어를 세면, 도체 길이나 도체 직경에 관계없이 회로의 다른 부분에서와 정확히 같은 양의 단위 시간을 알 수 있습니다. 회로의 연속성을 어느 지점에서든 끊으면 전체 루프에서 전류가 중단되고 배터리에서 생성된 전체 전압이 끊어진 부분에서 이전에 연결되었던 전선 끝 사이에 나타납니다.
전압 강하의 극성은 무엇입니까?
회로의 단절점 끝에 그려진 "+" 및 "-" 기호와 배터리 단자 옆에 있는 "+" 및 "-" 기호와 어떻게 대응하는지 주목하세요. 이 마커는 전압이 전류를 밀어내려는 방향, 즉 일반적으로 극성 이라고 하는 전위 방향을 나타냅니다 . 전압은 항상 두 지점 사이에서 상대적이라는 점을 기억하세요. 이 사실 때문에 전압 강하의 극성도 두 지점 사이에서 상대적입니다. 회로의 지점에 "+" 또는 "-" 레이블이 지정되는지는 참조하는 다른 지점에 따라 달라집니다. 루프의 각 모서리에 참조용 숫자가 표시된 다음 회로를 살펴보세요.
회로의 연속성이 지점 2와 3 사이에서 끊어지면, 지점 2와 3 사이에서 떨어진 전압의 극성은 지점 2의 경우 "+"이고 지점 3의 경우 "-"입니다. 배터리의 극성(1 "+"와 4 "-")은 루프를 통해 전류를 시계 방향으로 1에서 2로, 3으로, 4로, 다시 1로 밀어내려고 합니다. 이제 지점 2와 3을 다시 연결하지만 지점 3과 4 사이의 회로에 단절을 두면 어떻게 되는지 살펴보겠습니다.
3과 4 사이에 끊어짐이 있으면, 이 두 지점 사이의 전압 강하의 극성은 4의 경우 "-"이고 3의 경우 "+"입니다. 특히, 끊어짐이 지점 2와 3 사이에 있었던 첫 번째 예(지점 3은 "-"로 표시됨)의 "부호"가 반대라는 사실에 유의하세요. 이 회로에서 지점 3이 항상 "+" 또는 "-"라고 말할 수는 없습니다. 전압 자체와 마찬가지로 극성은 단일 지점에 국한되지 않고 항상 두 지점 사이에서 상대적이기 때문입니다!
검토:
- 전하 운반자는 정전기에서 나타나는 것과 동일한 힘에 의해 도체를 통해 흐르도록 동기를 부여받을 수 있습니다.
- 전압은 두 위치 사이의 특정 위치 에너지(단위 전하당 위치 에너지)를 측정하는 것입니다. 일반인의 용어로, 전하를 동기를 부여하는 데 사용할 수 있는 "밀어내기"의 측정입니다.
- 전압은 잠재 에너지의 표현으로서 항상 두 위치 또는 지점 사이에서 상대적입니다. 때로는 전압 "강하"라고 불립니다.
- 전압원이 회로에 연결되면 전압은 전류라고 불리는 그 회로를 통해 전하 캐리어의 균일한 흐름을 발생 시킵니다 .
- 단일(1개 루프) 회로에서 임의의 지점의 전류량은 다른 임의의 지점의 전류량과 같습니다.
- 전압원을 포함한 회로가 끊어지면, 해당 전압원의 전체 전압이 끊어진 지점에 나타납니다.
- 전압 강하의 +/- 방향을 극성 이라고 합니다 . 또한 두 지점 사이에서 상대적입니다.