#1. Voltage and Current(전압과 전류)

0. 전하

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전압과 전류를 이야기 하기에 앞서, 전류의 기본적인 단위인 전하에 대해 짚고 넘어가자.

기본적으로, 전하는 양전하와 음전하 두가지로 나뉘어져 있으며, 이 전하들이 이동할 때, 우리는 '전류가 흐른다.' 라고 이야기한다. 전하는 크기가 매우 작고, 1개, 2개가 띄는 전하의 양이 매우 적다. 따라서 화학에서 원자개수를 1몰 단위로 세듯이, 전하를 세는 단위도 존재하는데, 이를 1C(1쿨롱, 1Coulomb)으로 정의한다.

1쿨롱은 전하 $6.25\times 10^{23}$ 개의 전하에 해당한다.

그렇다면, 1개의 전하가 갖는 전하량은 1쿨롱을 $6.25\times 10^{18}$ 로 나눈 값이고 이는

$${\displaystyle \frac{1}{6.25\times {10}^{18}}}=1.6022\times {10}^{-19}$$ 

에 해당하고 이를 기본전하 라고도 부른다. 화학에서 양성자 1개, 전자 1개의 전하량이 이를 의미하는 것이다. 

1. 전압

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전압의 정의 자체를 생각해보자. 전압은 책에서 다음과 같이 정의한다

Voltage is defined as the difference in electric potential energy between unit positive charges.

단위 양전하간 퍼텐션 에너지 차이로, 쉽게 이야기하면 전하간의 상대적인 에너지 차이를 의미한다. 이를 미분식으로 나타내면

$$v={\displaystyle \frac{dw}{dq}}$$

로 나타낼 수 있고, q는 전하량, w는 에너지(줄, J)이다. 위 식은 나중에 적분 등을 통해 일이나 전하량을 역산 할 수 있기 때문에 기본적으로 알아두어야 하는 식이다. 처음 접한 이 식이 어렵겠지만, 간단하게 이렇게 생각하면 된다.

+전하와 -전하가 서로 붙어있다가, 이를 서로 떨어트릴려면 힘이 필요하다. 기본적으로 양전하와 음전하가 인력을 서로 가지고 있기 때문이다. 따라서 이를 떨어트리기 위해 힘을 가하면 +전하와 -전하는 서로 떨어지고, 힘을 받았으니, 각 전하는 에너지를 갖게 되며 이를 퍼텐셜에너지로 해석한다. 그리고 가했던 힘을 제거하면 다시 두 전하는 서로 붙게 된다.

위 과정은 전압이 높아지는 과정과 다시 낮아지는 과정을 설명한 것이다. 서로 떨어졌을 때가 전압이 높아진 상태, 다시 붙으러 다가오는 과정이 전압이 낮아지는 과정. 이때, 전하가 움직였으니, 전류가 흐른 것이고. 항상 전류는 전압이 높은 곳에서 낮은곳으로 이동하게 된다.

전압의 단위는 V(볼트) 이며, 1V는 1C의 전하가 1J의 에너지를 얻거나 잃을 때, 1V의 전압이 높아지고, 낮아지게 된다. 

 

2. 전류

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전류는 항상 전압이 높은 곳에서 낮은곳으로 흐르게 된다. 전류의 정의식을 살펴보면

$$i={\displaystyle \frac{dq}{dt}}$$

가 되고, 시간당 전하가 흐르는 양으로 정의 된다. 기본 단위는 1A이며, 1A는 1C의 전하가 1m  이동할 때, 1A로 정의한다.

전압와 전류에 대한 이야기는 회로이론의 기초가 된다. 많은 정의와 식들이 있지만, 본인이 스스로 느끼면서 공부해보는 것이 가장 좋다.