전류와 교류 직류에 대해 알아보자

전류

 

전류는 전하의 흐름이다. 단위 시간 동안에 흐른 전하의 양으로 정의된다. 전하의 흐름은 전선과 같은 도체, 전해질의 특성을 갖는 이온, 플라스마 등에서 일어난다.

 

전류의 SI 단위는 암페어[A]이다. 1암페어는 1초당 1쿨롱의 전하가 흐르는 것을 뜻한다. 암페어는 기호 A로 표기한다.

 

정의와 단위

전류는 일정 시간 동안 흐른 전하량의 비율로 정의된다.

I=dQ/dt

I-전류, Q-전하, t-시간

I=C/s

A-암페어, C-쿨롱, s-초

 

종류와 밀도

전류의 종류로는 도체에서 일어나는 전하의 흐름인 전도 전류와 진공관과 같은 것에서 일어나는 전하를 갖는 대전 입자의 흐름인 대류 전류가 있다. 차이점으로는 전도 전류는 금속과 같은 도체에서 원자는 물체의 결합구조를 유지한채 전자의 이동만으로 이루어지는 전류이다. 반면, 대류 전류는 대전 입자 자체가 이동하여 일어나는 전류이다. 대류 전류는 전도 전류와 달리 옴의 법칙을 따르지 않는다.

 

전류의 방향에 대해 수직인 단면에서 단위면적 당 전류의 세기를 전류밀도라고 한다. SI 단위는 제곱미터 당 암페어(A/m²)이다. 정의에 따라서 전류와 전류밀도 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

 

I = J⋅A

I-전류, J-전류밀도, A-전류가 흐르는 단면적

 

전류밀도는 전류의 종류에 따라 전도전류밀도와 대류전류밀도로 구분된다.

 

직류와 교류

 

직류와 교류의 전류 흐름이 다른 것은 전류를 만드는 방식의 차이 때문이다. 도체에서 일어나는 전하의 흐름인 전도 전류는 한 방향으로 연속하여 흐르는 직류와 일정한 주기에 따라 전류의 방향이 바뀌는 교류로 구분된다. 전지와 같이 일정한 전위차가 유지되는 전원에 연결된 전기회로는 양극에서 음극으로 지속적인 전류가 흐르게 된다. 교류는 발전기와 같은 것을 전원으로 한 전류이다. 현재 대부분의 가정에는 교류전원이 공급되나, 가전제품에는 주로 직류가 사용 된다. 대부분의 전기 제품은 교류를 직류로 바꾸는 정류기를 사용하거나 둘 다 같이 사용할 수 있도록 되어 있는 경우가 많다.

 

앙페르의 법칙

 

전류가 흐르는 도선에는 자기장이 형성되는데 이를 앙페르의 회로법칙이라고 한다. 앙페르의 회로법칙은 전자기역학의 성립에 큰 영향을 미쳤다.

 

옴의 법칙

 

직류 전기회로에서 전류의 세기는 전원의 전압과 회로의 전기저항에 의해 결정되어 전압의 크기에 비례하고 전기저항의 크기에 반비례한다.

 

I=E/R

I-전류, E-기전력(전압), R-전기저항

 

한편 교류에서는 전기저항 대신 다음의 식과 같이 임피던스가 전류의 세기에 관계한다. 따라서, 비록 저항이 직접 관여하지는 않지만 교류에서도 여전히 옴의 법칙이 성립한다고 할 수 있다.

 

I=E/Z

I-전류, E-기전력(전압), Z-임피던스

기본적인 전기 회로

전류의 방향

전기회로에서 실제 전자의 흐름은 음극(-)에서 양극(+)으로 진행한다. 최초 정의한 전류의 흐름은 실제 전자의 운동과 다르게 양극(+)에서 음극(-)인 양전하의 흐름으로 알려졌다. 이처럼 실제 전류가 흐르는 방향이 정반대로 정의된 까닭은 전류의 흐름을 발견할 당시 과학자들이 전자의 존재를 몰랐기 때문이다. 정공, 양이온처럼 양전하의 이동으로 말미암아 발생한 전류의 방향은 양전자의 이동 방향과 같은데, 양전하가 이동할 때나 음전하가 이동할 때 만들어진 전류에 현상적인 차이는 없으므로 옛부터 전류의 방향을 양전하의 흐름으로 통일하였다.

 

실제 전자의 흐름 (녹색) 과 반대로 전류의 흐름 (적색) 은 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 정의된다 .

 

 

1830년대 마이클 패러데이는 아래 그림처럼 전해전도 실험을 하였다.

실험 결과 1. 질산염(AgNO3) 수용액에 은 막대와 강철 스푼을 넣고 전지와 연결한다. 2. 질산염 수용액에 있는 이온들에 의해 전해전도가 일어난다. 3. 전류의 크기와 비례하여 강철 스푼에 은이 축적되어 도금된다.

 

패러데이는 이 실험을 통해 전해질의 전도를 통해 축적한 은의 양을 측정하여 전류의 이동을 입증하였다. 현대 SI 단위를 정의하기 전까지 전류의 단위 1 암페어는 "1초 동안 0.001118 그램의 은을 축적한 전류의 세기"로 정의했었다. 패러데이는 계속하여 새로운 은 원자를 제공하는 은막대를 양극(anode), 은 원자가 축적되는 강철 쪽을 음극(Cathode)로 정의하고 전류가 양극에서 음극으로 흐른다고 보았다. 이로 인해 전류가 실제로는 전자의 흐름이라는 게 밝혀진 오늘날에도 전류의 방향은 실제 전자의 운동과는 반대로 여전히 양극에서 음극으로 흐른다고 정의한다.

 

교류

교류(AC　:　alternating current)는 시간에 따라 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류다. 교류 전류를 사용하는 전압을 교류 전압이라고 한다. 방향이 일정한 직류와는 다르게 교류는 전하의 방향, 크기가 계속 바뀌기 때문에 +, - 단자를 구별하지 않는다.

 

교류는 19세기 웨스팅하우스에 근무하던 니콜라 테슬라가 교류 방식을 대부분 고안하였다.

 

교류 전원 주파수

전기 시스템의 주파수는 국가에 의해 때로는 국가 내에서 변화한다. 대부분의 전력이 50 또는 60 헤르츠에서 생성된다.

 

높은 주파수에서 효과

직류는 균일한 도체의 단면에 걸쳐서 균등하게 흐른다. 표피 깊이는 전류 밀도가 63%로 감소하는 두께이다. 전류가 도체의 주위에 흐르기 때문에, 도체의 실효 단면적이 감소한다. 저항이 단면적에 반비례하기 때문에 이것은 도체의 실효 교류 저항을 증가시킨다.

 

교류발전

발전소에서는 통상 삼상교류발전기를 이용한다. 발전된 전력은 변압기를 통해 특고압으로 변전되어 교류송전 된다. 해저송전 등은 정류기와 인버터를 사용한 직류송전도 이용된다.

배전에 이용되는 전기방식은 삼상4선식, 삼상3선식, 단상3선식 등이 있다.

전력회사가 공급하는 교류의 진동수는 나라마다 다르다. 현재 대한민국의 상용주파수는 60Hz이다.

 

직류 

직류의 옛 이름은 갈바니 전류였다. 직류(DC : direct current)는 높은 전위에서 낮은 전위로 전선과 같은 도선을 통한 전류의 연속적인 흐름이다. 전하는 교류(AC)와는 다르게 항상 같은 방향으로 흐른다. 따라서 직류는 전하의 방향, 극성이 항상 같다. 하지만 크기는 다를 수 있다.(ex : 정류회로의 출력)

 

직류의 유형

직류 성분은 예상되는 값, 모든 시간에 걸친 전압 또는 전류의 평균값으로 정의된다. 직류라는 용어는 하나의 극성 또는 전류 극성만을 사용한다. 전압, 전류의 상수, 제로 주파수 또는 천천히 변하는 지역 평균값을 나타내기 위해 사용된다. 전기 회로의 직류 솔루션은 모든 전압과 전류가 일정한 솔루션이다. 임의의 고정 전압 또는 전류 파형이 직류 성분의 합과 평균이 0일 때 시변 성분으로 분해될 수 있음을 나타낸다.

 

DC는 종종 일정한 극성을 나타낼 때 쓰인다. 이러한 정의에서, 직류 전압은 원시 출력 또는 전화선의 변동하는 음성 신호에서 볼 수 있듯이 시간에 따라 달라질 수 있다.