전압(전위차)과 전류
(1) 전위: 단위 양(+)전하가 가지는 전기력에 의한 퍼텐셜 에너지이다.
① 중력과 전기력에 의한 일의 비교: 중력장에서 질량이 m인 물체를 높이 h만큼 들어 올리려면 일을 해 주어야 한다. 마찬가지로 균일한 전기장(E) 내에서 전하량이 +q인 전하를 전기장의 방향과 반대 방향으로 거리 d만큼 이동시킬 때도 일을 해 주어야 한다.
② 전기력에 의한 퍼텐셜 에너지: 전하를 전기장 내의 기준점으로부터 어떤 점까지 이동시키는 데 필요한 일과 같다.
③ 전위차: 두 지점 사이의 전위의 차를 전위차 또는 전압이라고 한다. 전하량이 +q인 전하를전기장 내의 한 점 B에서 다른 점 A까지 이동시키는 데 필요한 일이 W라면, 두 지점 사이의 전위차 V는 다음과 같다.
(2) 균일한 전기장에서의 일: 균일한 전기장(E) 내에서 A B 전하량이 +q인 전하를 극판 B에서 거리 d만큼 떨어진 극판 A까지 옮기는 데 필요한 일 W는 다음과 같다.
(3) 전류: 전자나 이온과 같이 전하를 띤 입자의 흐름을 전류라고 한다.
① 도체에서의 전류: 도체는 전류가 잘 흐르는 물체로, 일반적으로 금속에서는 자유 전자, 그 밖에 액체 등에서는 이온과 같은 전하 운반체들의 이동으로 전류가 흐른다.
② 전류의 방향: 양(+)전하가 이동하는 방향으로 정의한다. 따라서 음(-)전하가 이동하는 방향의 반대 방향이다.
③ 도선에서의 전류: 도선에 전지를 연결하면 전지 양단의 전위차에 의해 전자는 (-)극에서 (+)극 방향으로 도선을 따라 이동한다. 따라서 전류는 전지의 (+)극에서 (-)극 방향으로 도선을 따라 흐른다.
④ 전류의 세기(I): 단위 시간(1초) 동안 도선의 단면을 통과하는 전하량으로 정의한다. 도선의 단면을 t초 동안 통과한 전하량이 Q라면 전류의 세기 I는 다음과 같다.
저항과 옴의 법칙
(1) 저항: 물체가 전류의 흐름을 방해하는 정도이다.
① 전기 저항(R): 물체가 전류의 흐름을 방해하는 정도를 수치로 나타낸 값으로, 물체의 전기저항은 물체의 길이 l에 비례하고, 물체의 단면적 S에 반비례한다.
② 비저항(ρ): 비례 상수 ρ를 그 물체의 비저항이라고 한다. 비저항은 길이가 1 m, 단면적이1 m2인 물체의 저항으로, 물체마다 고유한 값을 갖는 물체의 특성이다.
- 단위: Ω·m
- 물질의 종류와 온도에 따라 다르므로 물체의 특성이 될 수 있다.
- 길이와 단면적이 같으면 비저항이 클수록 물체의 저항이 크다.
- 비저항에 따라 도체, 반도체, 절연체로 구분된다.
(2) 옴의 법칙: 저항에 흐르는 전류의 세기 I는 저항 양단의 전위차 V에 비례하고, 전기 저항 R에 반비례한다.
① 전기 저항이 일정할 때, 저항 양단의 전위차가 커질수록 저항에 흐르는 전류의 세기가 증가한다.
② 저항 양단의 전위차가 일정할 때, 전기 저항이 커질수록 저항에 흐르는 전류의 세기는 감소한다.
저항의 연결
(1) 저항의 직렬연결: 여러 개의 저항을 한 줄로 이어서 연결하는 방법이다.
(2) 저항의 병렬연결: 여러 개의 저항을 나란하게 놓고 양 끝을 연결하는 방법이다.
저항에서 소모되는 전기 에너지
(1) 전류의 열작용: 도선에 전류가 흐르면 전자들이 원자와 충돌하면서 전자들이 갖고 있던 운동 에너지가 열에너지로 전환되어 도선에서 열이 발생한다.
- 전기 저항이 R인 도선에 전류 I가 시간 t 동안 흐를 때 전류가 한 일 W는 다음과 같다.
W=qV=VIt=I2Rt [단위: J(줄)]
(2) 소비 전력
참고자료: EBS 수능특강 물리2
