전압,전류의 쉽고 간단한 개념 이해

 

전압과 전류는 초등학교에서 처음 배우는 개념으로 쉽게 이해할 수 있는 것처럼 생각하기 쉽다. 하지만, 전압,전류의 개념은 처음에 이해하기 매우 어려운 개념이다. 잘 이해한다고 착각하기 쉽지만 실제 전기회로를 접하다 보면 자신이 잘 모른다는 것을 금방 깨달을 수 있다. 전기전자 공학과를 졸업하는 학생들 역시 약 90%는 정확하게 이해하지 못하고 졸업하고, 필드에서 2~3년 실제 개발 과정을 거치면서 조금씩 이해하기 시작한다.

 

흔히 전압,전류 개념을 설명하면서 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 물의 모형으로 설명하는데 이것은 전압,전류와는 다소 다른 특성을 가지기 때문에 전압,전류 개념을 오해하기 쉽게 만든다. 

 

전압,전류와 거의 동일한 모형은 위의 그림과 같은 펌프 모형이다.

 

여기서, 펌프는 배터리를 나타내고 펌프는 입구와 출구의 수압차를 일정하게 유지 시키는 제어장치가 있다고 가정한다. 즉 펌프이 입구-출구 수압차를 10으로 유지한다면, 입구 수압이 0이라면 출구 수압은 10이고 입구 수압이 5이라면 출구 수압은 15이 되도록 펌프를 제어한다.

 

수압은 전압을 나타내고, 파이프를 통해 1초 동안 흐르는 물의 양은 전류를 나타낸다.

 

펌프는 입구-출구 수압차를 일정하게 유지하므로 Va가 10이라며 Vb는 0이 된다. 그리고, 팬의 양단에도 10의 수압차가 생기고 이러한 수압차에 의해 물이 팬을 통해 흐르고 팬이 돌아간다.

 

이 때 팬의 저항이 증가하면 흐르는 물의 양이 줄어든다. 즉, 전압이 동일할 때 저항이 증가하면 전류가 감소하는 옴의 법칙이 성립한다.

 

 

만약, 수압 Va가 1000이고 Vb가 990이라면 어떻게 될까? 펌프나 팬이나 실제로 감지하는 것은 양단의 압력차이기 때문에 Va=10,Vb=0일 때와 동일한 동작을 한다. 펌프나 팬에서는 Vb가 990이지 0이지 알 수도 없다.

 

팬이  없이 펌프 사이에 파이프로만 연결되어 있다면 어떻게 될까? 펌프는 수압차를 10으로 유지하려고 하지만 파이프로 직접 연결되어 입구와 출구 수압은 항상 같다. 그래서, 펌프는 수압차를 만들기 위해 계속해서 속도를 증가시키고 결국 물의 속도는 무한대까지 증가하게 된다. 이것은 전기회로가 단락되었을 때 전류가 무한대로 증가하는 현상과 동일한다.

 

팬이 없고 파이프가 막혀 있다면, 처음에 펌프는 10의 압력차를 만들기 위해 동작하지만 10의 압력차가 만들어지면 펌프가 멈추어도 압력을 그대로 가지고 있게 된다. 즉, 펌프 또는 배터리에서 에너지를 공급하지 않고 멈춰있게 된다.

 

비행기가 번개를 맞으면 비행기 내부의 전압은 접지 대비 수만볼트 상승한다. 하지만 비행기가 안전한 이유는 비행기 내부에서 감지하는 것은 전압차이고 비행기 내의 모든 물체가 동일하게 수만볼트 상승하기 때문에 전압차는 동일하게 유지되기 때문이다.