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전자과학 강의 #2 이론편

by 광물융합자원 2022. 7. 20.
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예상밖으로 이 강좌를 보시고 찾아 오신 분들이 많아 놀랐습니다.
많은 호응에 감사드리고 바쁜 관계로 강좌가 너무 오랜 기간만에 나오는 것에 대해 사과의 말씀을 드립니다.
앞으로 가능한 최선을 다해 빨리 빨리 하겠습니다.
이렇게 많은 호응속에서 강좌가 끝나면, 다음에는 아마추어천문학 강좌, 화학강좌도 고려해 봐야겠습니다.

자 그럼 전자 강좌 2탄 이론편을 시작하겠습니다.

오늘은 말씀드린대로 전자과학을 할때 필요한 이론편을 설명드리겠습니다.
전자과학은 물리에 속하는 학문입니다. 따라서 이론의 내용이 많이 어려울 수 도 있습니다.
그래서 많약 많이 어렵다, 공부하기 싫다 하시는 분은 쿨하게 패스 하셔도 좋습니다.
전자과학은 이론도 중요하지만 직접 해보는것이 더욱 중요하기 때문에 취미로 재미있게 이를 하고자 하시는 분은 패스하셔도 좋습니다.
하지만 이론은 회로의 작동원리를 이해하고 응용하고 설계하는데 필수이기 때문에 전자과학을 재대로 해보고 싶다 하시면 찬찬히 읽어보시기 바랍니다. 되도록이면 쉽게 설병하도록 노력하겠습니다. 그리고 학교에서도 다루는 내용이니 미리 배워두는 것도 나쁘지 않겠죠?

처음으로 전자과학의 기본이 되는 전기에 대해 설명을 해야겠죠?
전기란 무엇이냐?

원자에 대해서 아시는지요?
우리 몸이 세포라는 것으로 이루워 져 있듯이 모든 물체와 물질은 원자라는 기본물질로 이루워져 있습니다.
원자는 또 원자핵과 전자로 이루워져 있습니다.
아래 모식도를 보시면 아시겠지만 간단히 원자핵은 가운데 박혀 있는 큰 물질 즉 태양과 같고, 전자는 아주 작은 행성과도 같은 존재입니다.

이때 여기서 전자는 -를 원자핵은 +의 성질을 띔니다.
전기는 양, 음의 부호를 가진 두 종류의 전하가 나타내는 여러 가지 자연현상 이라고 정의되어 있습니다.
즉 전기는 전자와 원자핵이 서로 어찌어찌해서 생기는 자연현상이구나 하고 이해하시면 되겠습니다.

이때 전자는 원자핵으로 부터 벗어날 수 있습니다.
금속 종류와 같이 전자가 원자핵으로 부터 벗어나 자유롭게 되는데 필요한 힘이 매우 작으면, 전자가 자유로워 마음대로 돌아다닙니다. 이를 자유전자라고 합니다. 그리고 이런 물체를 도체라고 하지요.
반면에 부도체 즉 플라스틱이나 고무와 같은 물질은 전자가 원자핵으로 부터 벗어나서 자유로운 공간으로 갈때 필요한 힘이 매우 커서, 전자가 마음대로 돌아다니지 못합니다. 
바로 이것 때문에 부도체와 도체의 차이가 생기는 것입니다. 도체가 전기를 잘 흘리는 물질이라는 것을 아시죠?

자유전자의 이동 때문에 우리가 흔히 생각하고 쓰는 전기(넓은 의미의 전기는 정전지와 같은 현상도 포함을 합니다.) 즉 전류를 만들어내기 때문에 전자의 운동이 자유로운 도체에서는 전기가 흐르지만 전자의 흐름이 자유롭지 못한 부도체에서는 전기가 흐르지 않는 것입니다.
여기서 우리는 전류는 자유전자의 흐름이라는 것을 알 수 있습니다. 그리고 전류가 우리가 흔히 말하는 전기가 흐른다, 전기가 통한다는 뜻에 해당합니다.

참고로 그 힘이 도체와 부도체의 중간이어서 조건에 따라 전기가 흐르기도 하고 흐르지 않기도 하느 것이 반도체로 나중에 반도체에 대한 설명에 들어갈때 자세히 설명드리겠습니다.

전류는 전자의 흐름이라고 말씀드렸는데, 전류는 물의 흐름과 비슷하여 아무런 게 없으면 흐르지 않습니다.
물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이, 전류 또한 어떠한 힘이 있어 전자를 제맘대로가 아닌 일정하게 움직이게 하는 전압이라는 힘이 필요합니다.
우리가 전선에 건전지를 연결하면 전기가 흘러 전구가 켜지듯이 전압은 전류를 흐르게 하는 힘입니다.

이때 건전지는 이 전압을 만들어주는 역할을 합니다. 우리가 건전지를 쓰다가 마침내 전기가 흐르지 않는 것은 안의 전기가 다 없어진것이 아니라 전류를 흐르게 할 힘이 더이상 남아있지 않은 것 입니다. 이렇게 전압을 만들어 주는 것을 전원이라고 합니다.

전류는 자유전자가 이동, 일정하게 전압에 의해 이동한다는 것을 알았습니다. 
전자는 이동하다가 우리가 많은 인파속에서 해처나가기가 쉽지 않듯이 원자핵 같은 여러 장애물에 부딪히면서 이동하게 됩니다.
이렇게 전류의 흐름을 방해하는 힘을 저항이라고 합니다.

여기서 또 기억해야 될 것은 전류의 단위는 A(암페어), 전압의 단위는 V(볼트), 저항의 단위는 Ω(옴)을 씁니다.
그리고 전류가 자유전자의 흐름이라고 했는데 우리가 전자과학에서 회로해석을 할때 말하는 흐름의 방향은 +에서 -로 이지만 전자는 -에서 +로 흐름니다.
또한 전자가 하나하나 전원에서 나오는 것이아니라 전원으로 부터 에너지를 받은 도선속의 모든 전자들이 동시에 움직이는 것입니다.

이렇게 전류, 전압, 저항에 대해 알아보았는데요, 여기서 옴의 법칙이 빠져서는 아니되겠지요?
옴의 법칙은 저항, 전압, 전류에 관한 상관관계를 설명한 식입니다.

V(전압)=I(전류)*R(전류)

옴의 법칙은 저항에 대해 계산할 때 등 여러가지로 많이 쓰이니 잘 기억해 두시기 바랍니다.
딱히 이에대한 설명은 하지 않을 것이나 딱 한가지만 집고 넘어가겠습니다.
전류와 전압, 저항을 이해할때 이해하기 쉬우려면, 저항과 전압이 결정이되면 옴의 법칙에 따라 결정된 전류가 흐른다고 생각하시면 쉽겠습니다.

그 다음에는 전류의 작용에대해 알아보겠습니다.
전류는 여러가지 작용을 하는데, 3가지가 있습니다.

손바닥을 비비면 열이 나듯이 같이 전기저항에 의해 발생하는 발열작용이 있습니다.
전기히터가 이를 이용한것이라 하겠습니다.

그리고 초등학교때 실험했던 자기작용이 있습니다.
전류가 도선에 흐르면 그 도선주위로 자기장이 생기게 되는것입니다.

마지막 세번째가 화학작용입니다.
화학작용은 전류가 화학불질에 흘러서 화학작용이나 전기분해가 일어나는 것을 말합니다.
알게 모르게 많이 쓰이고 있고요, 알루미늄의 정제에서 쓰입니다.
간단히 물을 전기분해해서 수소와 산소로 분해하는 실험도 있고요.

그다음에는 직류와 교류에 대해 설명드리겠습니다.

먼저 직류는 말그대로 곧을 직(直) 흐를 류(流), 곧 곧게 흐른다는 뜻입니다.
그래프를 보면 전압이 변하지 않고 곧게 흐르는 걷이 직류란 것을 알 수 있습니다. 전압이 변하지 않고 곧게 흐르기 때문에 대부분의 전자제품에서 사실상 이용하는 종류의 전기입니다.
그리고 건전지나 어댑터에서 나오는 것도 직류입니다.

그다음 교류. 교류는 말 그대로 바뀔(사귈) 교(交) 흐를 류(流), 곧 바뀌면서 흐른다는 뜻 입니다.
그래프를 보면 전압이 +와 -를 번갈아 가며 바뀌는 것을 볼 수 있습니다. 전압이 계속 변하는 특성을 가지기 때문에 일반적인 전자회로에 쓰기는 곤란하지만 송전할때나 승압, 변압, 교류모터를 돌릴때와 같이 교류의 특성을 이용한 곳에서 많이 쓰입니다. 송전할때 교류로 해야 손실이 적다고 하네요. 그런데 지금은 기술의 발달로 직류로 보내도 손실이 적은 기술이 등장해 전체를 다 직류로 바꾸는 안도 제기되었다고 합니다. 그러면 교류를 직류로 바꾸는 컨버터와 변압기(다이오드와 코일편에서 설명드리죠)가 없는 전자제품이 가능해져서 어댑터나 그런거 없이 바로 벽에 꽂아서 쓸 날이 올지도 모르겠네요. 더 소형화된 가전제품이 나올 수도 있고요.

그다음에 전력에 대해서 잠깐 집고 넘어갈건데, 이건 저항부분에서 필요하니 알아만 두십시오 전력은 전기가 하는 일률(시간당 할 수 있는 일)을 나타낸것입니다.
P(전력)= I (전류) X V (전압) = I^2 (전류의 제곱) X R (저항) 

마지막으로 발광다이오드에 알맞는 저항 구하는 법을 알려드리겠습니다.

-먼저 발광다이오드가 먹는 전압을 체크한후 전원에서 빼줌니다. 예) 5v-2v
-그리고 발광다이오드의 정격 전류와 뺀값을 옴의 공식에 넣어 저항을 구합니다.예) 3v=0,02A x X옴
-그 저항을 회로에 넣어줍니다. 또는 다이오드가 드랍(나중에 설명)이 0.7니까 직렬로 연결해주면 됩니다.

시험기간에 쓰려니 힘드네요 내용이 두서가 없고 약간 정리가 않된 느낌이 들지만 양해 바랍니다. 다음강좌를 시험끝나고 열심히 쓰기 위해 이정도만 간단히(?) 끝내겠습니다.
그림이 없으니까 삭막하네요.. 다음편은 사진도 많이 넣겠습니다.
오류나 추가 내용 건의는 친절히 댓글로 달아주세요! 저보다 전문가이신 분도 있으시니까요.
그럼 전자과학 열심히 공부하시고요 매니저였습니다.

다음 강좌는 '브레드보드, 멀티테스터의 사용방법과 회로꾸미기 기초'가 되겠습니다.
그 다음 강좌는 '수동소자- 저항과 케페시터(콘덴서)'가 되겠습니다.

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