【회로이론】 1강. 회로이론의 기본

1강. 회로이론의 기본

 

추천글 : 【회로이론】 회로이론 목차

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1. 전기현상을 기술하는 용어 [본문]

2. 맥스웰 법칙 [본문]

3. 집중정수 계와 분포정수 계 [본문]

4. 선형계와 이진계 [본문]

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1. 전기현상을 기술하는 용어 [목차]

⑴ 전하(charge)

① 정의 : 전기현상의 원인이 되는 기본적인 성질

② 전하의 종류 : 양전하와 음전하가 있으며, 같은 극끼리는 척력이, 다른 극끼리는 인력이 발생 

○ 중력은 1개의 극성을 가진다는 점에서 차이가 있음

③ 전하량 : 전하의 크기를 측정하는 값

○ 단위 : 쿨롱(C)

○ 전자 1개의 전하량 : -1.6 × 10^-19 C 

○ 1 C 전자의 개수 : 6.25 × 10¹⁸ 개

○ 쿨롱(C)의 정의와 아보가드로수(NA)인 6.02 × 10²³개는 전혀 관계 없음

○ 전자 1 mol 전하량 = (6.02 × 1023) × (1.6 × 10-19) = 96,485 C

○ 기본 전하의 크기가 굉장히 작으므로 전하량을 연속적으로 간주함

④ 20 ℃의 구리의 경우 전자 밀도가 10²³ 개/cm³

⑤ 전하가 분리되면 전압이 발생하고 전하가 흐르면 전류가 발생함

⑵ 전류(electric current)

① 정의 : 단위 시간당 전자나 이온과 같이 전하를 띤 대전 입자의 알짜 흐름

 

 

○ 도선이나 도체 : 자유 전자들이 전류를 흐르게 함

○ 전해질 용액 : 전하를 띤 이온들이 전류를 흐르게 함

○ 진공관(방전관) : 양(+)이온과 전자들이 이동하여 전류를 흐르게 함

○ 단위 : C/s = A

② 전류의 방향

○ 전하의 이동 : 힘을 가하면 전자들은 이동하나 원자핵은 움직일 수 없음

○ 전류의 방향 : (+) → (-)

○ 자유전자의 이동방향 : (-) → (+)

○ 정공의 이동방향 : (+) → (-)

③ 종류 1. 전도 전류(drift current) 

○ 정의 : 도체 내에서 전계의 작용으로 자유 전자의 이동이 생기는 것

○ 전자가 정공보다 이동성이 높음 

○ 옴의 법칙은 전도 전류에만 적용됨

○ 응용 : FET 트랜지스터 

④ 종류 2. 대류 전류(convection current, diffusion current)

○ 정의 : 전자, 정공, 전해액 내 이온과 같은 하전 입자의 대류운동 또는 확산운동에 의한 것

○ 대표적으로 진공이나 희박한 가스 내에서 하전 입자의 운동에 의한 전류가 있음 

○ 응용 : PN 접합 다이오드, BJT 트랜지스터, 브라운관, 진공관

⑤ 종류 3. 분극 전류(polarizing current) : 분극 전하의 시간적 변화

⑥ 종류 4. 변위 전류(displacement current) : 전속 밀도의 시간적 변화. 하전체의 의하지 않은 가상적 전류 

⑶ 전위(electric potential)

① 전기장 : 단위 전하당 전기력의 크기전압

 

 

 

② 전위 : 단위 전하당 전기적 위치에너지

 

 

③ 전압 : 전하를 분리시키는 데 드는 단위 전하당 에너지 (단위 : J/C = V)

 

 

④ 전기장이 일정한 공간에서 전기장과 전위의 식

 

 

⑤ 전위-거리 그래프에서 전기장은 접선의 기울기에 해당

⑷ 전력(power) : 전기장치의 일률, 1마력(horse power; hp) = 735 W

① 저항에서의 전력

 

 

② 전동기에서의 전력

 

 

③ 전력의 부호

○ 양의 값 : 회로부품에 에너지가 전달됨

○ 음의 값 : 회로부품으로부터 에너지가 빠져 나감

④ 팁. 저항의 전력은 항상 양수

○ 즉, 저항처럼 전류가 흐르면 양의 전력, 반대면 음의 전력으로 생각

○ 단, 실제 부호가 아니라 정의상 부호임을 유념

 

Figure. 1. 저항의 전력 부호 규칙

 

⑤ 에너지 보존 법칙에 의해 임의의 회로의 전력의 합은 0

⑸ 기타 용어

① 단락(short) : 두 말단을 도선으로 연결하는 것. 회로가 짧아졌다는 의미

② 개방(open) : 회로 내 특정 부분을 절단하는 것

③ 접점(node) : 전위가 동일한 지점

④ 지로(branch) : 각 접점을 잇는 경로

 

 

2. 맥스웰 법칙(Maxwell equation) [목차]

⑴ 맥스웰 제1법칙 : 전기에 대한 가우스(Gauss) 법칙

① 수학적 표현 : 발산정리를 이용

 

 

② D를 전속밀도(electric flux)라고 부름

⑵ 맥스웰 제2법칙 : 자기에 대한 가우스(Gauss) 법칙 (자속 보존의 법칙)

① 수학적 표현 : 발산정리를 이용

 

 

② 물리적 해 : 자기홀극은 없음

③ μH를 자속밀도(magnetic flux)라고 부름

⑶ 맥스웰 제3법칙 : 암페어(Ampere)의 둘레법칙

① 수학적 표현 : 그린(Green) 정리를 이용

 

 

② 물리적 해석

○ 전류 혹은 가상전류가 흐르는 공간 주위에 자기장이 생김

○ 자기장의 방향은 전류 방향에 대한 오른나사 방향

⑷ 맥스웰 제4법칙 : 패러데이(Faraday)의 전자기유도법칙

① 수학적 표현 : 그린(Green) 정리를 이용

 

 

② 물리적 해석 : 임의의 곡면을 통과하는 자속의 변화가 곡면의 테두리에 전류를 만듦

⑸ 전하보존의 법칙 (전하의 연속방정식)

① 수학적 표현 : 발산정리를 이용

 

 

② 물리적 해석

○ 전류의 정의와 연관

○ 우주의 전하량의 총합은 0

 

 

3. 집중정수 계와 분포정수 계 [목차]

⑴ 집중정수 계(concentrated constant system, lumped system)

① 단단한 물체의 경우 계의 모든 부분이 동시적으로 외부 물리량을 느낌

② KCL, KVL, V-I 단자 특성 등을 적용할 수 있음 

⑵ 분포정수 계(distributed constant system)

① 물렁한 물체의 경우 계의 모든 부분이 같은 시간에 같은 물리량이 적용되지 않음

② 오직 수치해석으로 해석 가능

⑶ 판단 기준

① 한 파동이 계를 통과하는 시간인 지연 시간이 전원 등의 주기보다 매우 작으면 집중정수 계

 

 

 

② 예 : 시스템의 특성 길이가 실험실 정도이고, 60 Hz 상용 전원인 경우

 

  

 

4. 선형계와 이진계 [목차]

⑴ 선형계(linear system, analog system)

① 정의 : 입력 대 출력 관계를 주어진 작동점에 대한 선형 근사로 접근

② 예시 : 저항, 커패시터, 코일, 다이오드, 트랜지스터 

⑵ 이진계(binary system, boolean system, digital system)

① 정의 : 입력 대 출력 관계를 실무율(all-or-none), 즉 1 또는 0으로 접근

② 예시 : 논리 게이트

 

입력 : 2015.12.23 21:01

수정 : 2022.09.11 11:53