전류는 대학교 전기공학을 공부해도 잘 이해가 안되는 기본 개념 중의 하나입니다. DC는 좀 이해가 되다가도 AC로 넘어가면 어렵습니다. 그런 전류에 대해서 전공자가 아니어도 우리가 일상 생활에 많이 쓰고 생각할 수 있는 주제로 설명을 해보려고 합니다. ChatGPT의 답도 구하고 몇가지 질문을 생각해 보고 본 포스팅을 작성했습니다.
1. 전류에 대한 이해
전류는 전기를 흐르게 하는 전자들의 흐름을 나타내는 물리적인 양입니다. 전류는 전기 회로를 통해 전기 에너지를 전달하고, 다양한 전기 기기와 장치를 작동시키는 데 필수적입니다. 여기에서 전류에 대한 몇 가지 중요한 개념을 설명하겠습니다:
- 전류의 단위: 전류는 일반적으로 암페어(Ampere, 단위 기호: A)로 측정됩니다. 1 암페어는 1초 동안 1쿨롱(Coulomb)의 전하가 지나가는 것을 나타냅니다. 전류의 크기는 초당 쿨롱 단위로 측정됩니다. 전류의 SI 단위는 암페어이고 문자 A로 표시됩니다. 만약 6.241 x 10^18 개의 전자가 1초에 지정된 프레임을 통과한다면, 그것을 통해 흐르는 전류를 '1 암페어'로 표시하는 것입니다.
- 전류의 방향: 전류의 방향은 전자의 움직임과 반대 방향으로 표시됩니다. 이것은 역사적으로 정해진 표기 방법이며, 전자는 전류의 방향에 반대로 움직입니다. 즉, 전류의 흐름 방향은 양전자(+)에서 음전자(-)로 흐릅니다.
- 직류(DC)와 교류(AC) 전류: 직류(Direct Current, DC) 전류는 일정한 방향으로 전류가 흐르는 것을 의미합니다. 거치형 전지나 배터리에서 나오는 전류가 대표적인 직류입니다. 교류(Alternating Current, AC) 전류는 주기적으로 방향이 바뀌는 전류입니다. 가정용 전기는 주로 교류로 공급됩니다.
- 전류의 크기와 전압: 오목한 파이프나 호스에 물을 흘려보낼 때와 유사하게, 전류와 전압은 전기 회로에서 연관되어 있습니다. 전류는 전압과 전기 저항에 의해 결정됩니다. 오옴의 법칙(Ohm's Law)은 전류(I), 전압(V), 저항(R) 간의 관계를 나타내며 I = V / R로 표현됩니다.
- 전류의 역할: 전류는 전기 에너지를 전달하고, 전기 장치 및 기기를 작동시키며, 전기 회로에서 다양한 작업을 수행합니다. 전기 회로에서 전류는 전화, 컴퓨터, 가전제품, 조명 및 모터와 같은 다양한 응용분야에서 에너지를 제공합니다.
- 전류의 안전성: 전류는 안전 관리가 필요한 중요한 에너지 형태입니다. 고전압 및 고전류는 화재, 감전, 기기 손상 및 다른 위험을 초래할 수 있으므로 안전 조치를 취해야 합니다.
- 전류 측정: 전류를 측정하는 데는 전류계(암페어미터)가 사용됩니다. 전류계는 전류가 얼마나 흐르는지를 측정하고 표시합니다.
전류는 전기 공학 및 전자 공학에서 핵심적인 개념 중 하나이며, 전기 시스템 및 회로 설계, 유지 보수, 안전 및 효율성 개선과 관련된 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다.
추가 설명
전류가 흐르면 어떤 효과를 발생시키나요?
1) 열 발생 : 전류가 흐르면 도체의 저항에 의해서 열이 발생합니다. 저항이 클수록 열이 더 많이 납니다. 백열전구를 켜두면 전구가 아주 뜨겁게 되는 것을 알 수 있습니다. 전기 히터는 저항이 큰 코일을 감아서 열을 많이 내도록 만든 것입니다. 아래의 수식에 따라서 열이 발생합니다.
2) 자속 발생 : 전선에 전류가 흐르면 전선 둘레에 자기장이 발생합니다. 이 원리를 이용해서 TV나 라디오를 만들고 전파를 만들어 냅니다. 무선 주파수에서 적합한 모양의 도체에 전류가 흐르면 전파가 발생할 수 있습니다. 이러한 전파는 빛의 속도로 이동하여 먼 곳의 도체에 전류를 발생시킬 수 있습니다.
3) 생리학적 효과 : 전기 충격을 이용하거나 전류가 흐를 때 나타나는 효과를 이용하는 전기적 의학용 기기를 만듭니다.
4) 화학적 효과 : 배터리의 충전, 방전 효과
2. 도체 안에서 전류의 속도는 얼마나 될까요?
가정에서 전등 스위치를 키면 전등에 불이 바로 들어옵니다. 시차를 느끼지 못할 정도입니다. 그러면 실제로 전선 내에서 전류가 흐르는 속도는 얼마나 될까요? 자세히 알아보면 전기가 쉽지 않은 이유도 확인됩니다.
이 질문에 답하기 위해서 우리는 물질 자체를 가장 기본적인 수준에서 살펴볼 필요가 있습니다. 물질은 원자라고 불리는 작은 단위로 구성되어 있습니다. 이 원자 수준에서 물질은 두 가지 기본적인 특성을 가지고 있습니다. 물질은 질량을 가지고 있으며 전하가 양, 음, 또는 전하가 없는 중성일 수 있습니다. 각 원자는 서로 다른 특성을 가진 세 종류의 입자, 즉 양성자, 중성 중성자, 그리고 음의 전자를 포함하고 있습니다.
전류(전기)는 전하의 흐름 또는 움직임입니다. 가정에서 구리선을 통해 흐르는 전기는 움직이는 전자로 구성됩니다. 구리 원자의 양성자와 중성자는 움직이지 않습니다. 개별 전자가 도선을 통해 주어진 방향으로 진행하는 실제 진행은 매우 느립니다. 전자는 도선 안에서 수십억 개의 원자를 통과하여 일을 해야 하고 이 작업에는 상당한 시간이 걸립니다. 10암페어의 전류가 흐르는 12 AWG 구리선의 경우 개별 전자는 초당 약 0.02cm 또는 분당 1.2인치(과학에서는 전자의 이동 속도라고 함)만 움직입니다. 만약 이것이 자연의 상황이라면, 왜 그렇게 빨리 빛이 들어오는 것일까요? 이 속도라면 전자가 빛에 도달하는 데 몇 시간이 걸릴 것입니다.
원자들은 지름이 10억 분의 1미터 미만으로 매우 작습니다. 전선은 원자로 가득 차 있고 자유 전자들이 원자들 사이에서 움직입니다. 일반적인 구리선에서는 매초마다 전선의 특정 지점을 통과하는 수조 개의 전자들이 있지만, 그들은 그 지점을 매우 느리게 통과하고 있을 것입니다.
구슬로 가득 찬 파이프에 비유하여 전선을 생각해 보세요. 만약 우리가 다른 구슬을 밀어 넣는다면, 하나의 구슬은 다른 쪽 끝에서 빠져나와야 할 것입니다. 전자들은 전선 안에서 그런 것입니다. 만약 한 개가 움직인다면, 그들은 모두 움직여야 합니다. 따라서 당신이 스위치를 켜면 (발생기에 의해 생성된) 전기 전압 차가 즉시 전자들을 움직이려는 힘을 발생시킵니다. 당신이 스위치를 켰을 때 전자 하나를 움직이게 하면, 비록 전선이 몇 마일이나 길더라도, 전선 전체에서 전자들이 움직입니다.
따라서 당신이 스위치를 켜면, 전등 내의 전자들이 "즉각" 움직이기 시작합니다. 즉, 전기 시스템 전체에서 무언가가 일어나기 시작합니다. 비록 전자들이 실제로 전선을 통해 천천히 움직이고 있지만, 우리는 전기의 속도가 빛의 속도에 가깝다고 말합니다.
우리가 실제로 의미하는 것은 전기의 효과가 "즉각" 발생한다는 것입니다. 빛은 당신이 스위치를 올리는 순간에 온다는 것입니다. 당신은 전자가 스위치에서 전등으로 흐르기를 기다릴 필요가 없습니다.
이동 속도는 전기장으로 인한 전자와 같은 입자의 평균 속도를 나타냅니다. 일반적으로, 전자는 페르미 속도(Fermi velocity)로 도체 내에서 무작위로 전파됩니다. 도체의 자유 전자는 무작위 경로를 따라 이동합니다. 전기장이 없으면, 전자는 정해진 방향의 속도를 갖지 못합니다. 직류 전압이 인가되면, 전자 이동 속도는 전기장의 세기에 비례하여 속도가 증가합니다. 1암페어 전류에서 지름 2mm의 구리선 내 이동 속도는 시간당 약 8cm입니다. 또한 교류 전압은 실질적인 이동을 일으키지 않으며, 전자는 교류 전기장에 반응하여 앞뒤로 진동하여 실질적으로는 그 위치에 머물게 됩니다.(Wiki 자료)
다음에서 실제로 전자의 속도를 계산해 보겠습니다 아래의 자료를 참조하였습니다.
https://www.informit.com/articles/article.aspx?p=2916283&seqNum=4
구리선 안에 있는 전자의 속도는 쉽게 추정할 수 있습니다. 지름 1mm, 전류 1Am인 대략 18 게이지의 둥근 선이 있다고 가정합니다. 우리는 초당 몇 개의 전자가 도선의 한 단면을 통과하는지, 도선 안에 있는 전자의 밀도, 도선의 단면적을 기준으로 도선 안의 전자의 속도를 계산할 수 있습니다. 그림 7-5에 나와 있습니다. 도선 안의 전류는 다음과 관련이 있습니다:
아래 수식과 예제에서 보면 직경이 1mm 인 전선에서 전류가 흐를때를 생각해봅니다.
이 전선의 단면적은 (A) 0.000006 ㎡ 이고 전자 하나의 전하는 10의 마이너스 19승 C이고 전자의 수는 10의 27승개가 되어 이를 계산하면 종합적인 전자의 속도는 1mm/sec가 됩니다.
전자의 속도는 초당 약 1cm 입니다. 이 속도는 땅위를 걷는 개미의 속도만큼의 빠르기입니다.
3. 전류와 온도와의 관계
전류와 전선의 온도는 서로 밀접하게 관련되어 있습니다. 전류가 전선에 흐르면 전선의 전기 저항 때문에 전선에 열이 발생하게 되며, 이러한 발열은 전선의 온도를 올리게 됩니다. 이와 관련된 몇 가지 주요 요소와 현상을 살펴보겠습니다.
1) 저항과 전류 관계
오옴의 법칙에 따라 전선의 전기 저항(R)은 전선의 물질과 크기, 온도에 따라 결정됩니다. 전류(I)가 흐를 때, 전압(V)에 의해 저항에 의한 전압 강하(IR)가 발생하며, 이로 인해 전선이 발열합니다. 다음 식에 의해 발생한 손실이 열로 치환되게 됩니다.
2) 발열과 전선 온도
전선이 발열하면 전선의 온도가 상승합니다. 전선의 온도가 증가하면 전기 저항도 증가하므로, 전류의 흐름에 대한 전선의 저항도 증가합니다. 아래의 수식은 20도의 DC 저항이 온도가 상승할수록 온도 상수 α20에 의해 증가하는 것을 보여줍니다. 그래서 전류가 작게 흘러서 전선의 온도가 30도일 때의 전선 저항과 최대의 전류가 흘러서 전선 온도가 90도가 되었을 때의 전선 저항은 많이 차이가 납니다.
3) 저항 변화와 전선 온도의 상호작용
전선의 온도가 상승하면 전선 자체의 저항도 증가하므로 더 많은 열이 발생하고 더 많은 전압 강하가 발생합니다. 이것은 양호하지 않은 경우에는 전선이 녹거나 손상될 수 있음을 의미합니다. 아래의 표는 각 사이즈 별 전선의 저항이 20도 기준일 때와 90도 기준일 때 어떻게 변하는지를 보여줍니다.
4) 안전과 전선 온도
전선이 과열되면 안전 문제가 발생할 수 있습니다. 과열된 전선은 화재의 원인이 될 수 있으며, 전기 장치 및 전선의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 전선의 절연 재질이 무엇인가에 따라 전선의 최대 온도가 달라집니다. 아래는 IEC60364-5-52에 나오는 기준입니다. 가정용으로 많이 사용하는 PVC 전선은 최대 70도, 공장에서 주로 사용하는 XLPE 전선은 최대 90도가 기준입니다.
전선의 온도를 관리하고 안전을 유지하기 위해서는 적절한 저항, 전류, 전선 크기 및 열 방출에 대한 고려가 필요합니다. 특히 과부하 및 단락 상황에서 전선의 온도가 급격하게 상승하지 않도록 주의해야 합니다. 그리고 안전 규정 및 전기 설비 설치 기준을 준수하는 것이 매우 중요합니다.
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