Published Book on Amazon
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All of IOT Starting with the Latest Raspberry Pi from Beginner to Advanced – Volume 1 |
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All of IOT Starting with the Latest Raspberry Pi from Beginner to Advanced – Volume 2 |
출판된 한글판 도서
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최신 라즈베리파이(Raspberry Pi)로 시작하는 사물인터넷(IOT)의 모든 것 – 초보에서 고급까지 (상) |
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최신 라즈베리파이(Raspberry Pi)로 시작하는 사물인터넷(IOT)의 모든 것 – 초보에서 고급까지 (하) |
Original Book Contents
25.3 전기/전자 기초
여기서는 전기, 전자에 대한 기초적인 내용을 설명할 것이다.
추가적인 자료가 필요하면 다음을 참고하기 바란다.
■ http://portal.hrd.go.kr/EL/contents/084/01/ch01_02.htm
■ http://blog.daum.net/hongbkim/2542
■ http://blog.naver.com/dhjdhj11/150184044066
25.3.1 전류, 저항, 전압
25.3.1.1 전류(current)
도체 내에는 자유전자(free electron)가 많이 존재한다. 도체에 전압이 가해지면 자유전자는 양극(+극)으로 끌려가는데, 이러한 전자의 이동이 전류이다. 전자가 음극(–극)에서 양극((+극)으로 흐름에도 불구하고, 전류는 전자의 방향과 반대로 양극에서 음극으로 흐르는 것으로 이야기하고 있는데, 이는 과거부터 그렇게 사용하고 있던 것을 그대로 사용하기로 했기 때문이다.
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그림 25‑4 전류
전자(electron)는 (–)전기를 띠고 있는데 이를 전하(electric charge)라고 한다. 전자 한 개가 가지는 전하량은 1.6×10^−19 쿨롬으로 정의한다. 따라서 1쿨롬 (C)은 1/(1.6 x 10^−19) = 6.25 x 10^18 개의 전자가 가지는 전하량이다.
도체에서 전류가 흐르는 것은 수도관에서 물이 흐르는 것과 유사하다. 특정 굵기의 수도관에서 수압이 세면 물이 많이 흐르고 수압이 약하면 물이 조금 흐른다. 이와 유사하게, 전류의 경우에도 특정 굵기의 전선에서 전압이 높으면 전류가 많이 흐르고 전압이 낮으면 전류가 적게 흐르게 된다.
전류의 크기는 A (Ampere)로 표시하는데, 1 A는 1초 동안에 6.25×10^18개의 전자, 즉 1쿨롬의 전하가 이동하는 것을 말한다.
25.3.1.2 전압(voltage)과 전위(electric potential)
전압이란 건전지와 같이 전자를 이동하게 밀어주는 힘의 크기를 나타내는 말이다. 따라서 전압이란 수도관 속의 수압과 같은 개념이다. 전압의 단위는 V (볼트 Volt)로 나타낸다. 1V는 1Ω 의 저항을 통해서 1A의 전류를 흐르게 할 수 있는 전압의 크기이다.
전압과 유사하게 사용되는 것으로 전위라는 용어가 있다. 전위는 전기장 내에서 특정 지점에서 단위 전하가 갖는 위치 에너지를 의미한다. 위치 에너지의 크기는 통상 접지(0V)를 기준으로 계산한다.
반면 전압은 두 지점 사이의 전기적인 위치 에너지의 차이를 말하는 것으로 두 지점에서 전기를 띤 입자가 얼마나 많은지를 상대적으로 비교하는 것이다. 즉 전압은 단위 전하가 갖는 위치 에너지의 차이, 즉 전위 차이를 의미하고, 이런 전압에 의해 전류가 흐른다.
아래 그림에서는 기준전위가 0V로 정해져 있는 상태에서 전위와 전압의 관계를 보여 주고 있다. 전위 1.5V 지점과 전위 3V 지점 사이에는 전위 차이가 1.5V이며, 이것이 전압 1.5V라는 것을 의미한다.
그림 25‑5 전압과 전위
25.3.1.3 저항(resistance)
저항은 전류가 흐르는 것을 방해하는 성질을 말한다. 모든 물체는 각자의 전기저항을 가지고 있다. 전기저항이 작은 물질을 도체라 하고, 저항이 매우 큰 물체를 부도체 또는 절연체라고 한다. 전기 저항은 마치 수도관 속의 녹이나 수세미 등이 물이 흐르는 것을 방해하는 것과 유사하다.
저항은 옴 (Ohm: Ω) 단위로 표시한다. 고유저항 (또는 저항률)이란 물질이 가지고 있는 고유한 저항특성을 말하는 것으로 Ω·m 단위로 표시한다.
그림 25‑6 저항
1 Ω·m은 그림과 같이 가로, 세로 높이가 각각 1m인 정육면체의 양변에 도체 판을 대고 그 양단의 저항을 측정해서 구한 저항치를 말한다. 각 변의 길이가 1cm씩 이면 이는 Ω·cm가 된다. 몇 가지 물질의 고유저항을 표시하면 다음과 같다
| 물질 (부도체) | 고유저항 ρ [Ω·m] |
| 구리 | 1.72×10^−8 |
| 알루미늄 | 2.75×10^−8 |
| 철 | 9.8×10^−8 |
| 유리 | 10^9 ~ 10^11 |
| 세라믹(도자기) | 3×10^11 |
| 베이클라이트 | 10^6 ~ 10^10 |
저항의 크기는 다음 식으로 계산한다. 즉 물질의 저항은 길이에 비례하고 그 단면적에 반비례한다
R -- 저항
ρ -- 고유저항
l -- 길이
A -- 면적
25.3.1.4 옴의 법칙(Ohm's law)
독일의 옴은 전압과 전류와 저항의 관계에 대한 법칙을 발견하였는데, 이를 옴(Ohm)의 법칙이라고 한다. 이 법칙은 회로에 흐르는 전류의 크기는 그 회로에 가해진 전압에 비례하고, 회로의 저항에 반비례한다는 것이다. 즉 회로에 흐르는 전류는 다음 식으로 나타내어진다.
옴의 법칙을 변형하면 아래와 같이 쓸 수 있는데, 이는 어떤 회로에 흐르는 전류와 그 회로의 저항을 곱하면 그것이 바로 그 회로에 가해진 전압이라는 말이다.
V = IR
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위의 식은 또 아래와 같이 쓸 수 있는데, 이는 그 회로에 가해진 전압을 그 회로에 흐르는 전류로 나누면 그것이 바로 그 회로의 저항이 됨을 의미한다.