전기회로의 개념과 전기회로의 종류, 직렬회로, 병렬회로

전기회로

전류가 흐르는 길을 말합니다. 전기가 일을 하려면 반드시 회로를 통해 흘러야 하는데, 모든 전기기구에는 적어도 하나의 회로가 있습니다. 전기회로는 전지나 발전기 같은 전원, 모터나 전구 같은 출력장치, 전선처럼 전원과 출력장치를 잇는 연결장치의 세 부분으로 되어 있습니다. 전원은 여러 종류의 비전기적 에너지를 전기에너지로 바꾸는 일을 합니다. 예를 들어 발전기는 역학적 에너지를 전기에너지로 바꿔줍니다. 전원은 회로 안에서 전류를 흐르게 하는 기전력을 만듭니다. 기전력의 단위는 볼트(V)이며, 기전력이 만드는 전류의 단위는 암페어(A)입니다. 많은 나라에서 220V나 240V의 전기를 가정에 공급하지만, 우리나라에서는 110V나 220V의 전기를 공급합니다. 콘센트는 그 자체가 전원이 아닙니다. 발전소에 있는 발전기가 전원이며, 전선이 발전기와 콘센트를 연결해줍니다. 출력장치는 전원에서 공급되는 전기에너지를 이용해 도움이 되는 일을 합니다. 예를 들면, 전등은 빛을 내고 전동기는 진공청소기를 작동시킵니다. 전류가 전원에서 출력장치로 흐른 후 다시 전원으로 되돌아오게 하려면 출력장치와 전원을 반드시 연결해야 합니다. 회로에는 전하가 모이면 안 되기 때문에 전류가 되돌아오는 길이 반드시 있어야 합니다. 회로에 전하가 모이면 전류의 흐름을 방해하므로 회로가 작동되지 않습니다. 회로에 흐르는 전류를 조절하고자 회로에는 여러 장치를 추가합니다. 예를 들어 전등의 회로에는 전등을 쉽게 켜고 끄는 스위치가 있습니다. 스위치를 끄면, 전선과 분리된 빈 틈이 회로를 불완전한 것으로 만드는데, 이처럼 회로 안에 틈이 있는 회로를 열린회로라고 합니다. 닫힌회로는 전류가 흐르는 길에 이런 틈이 없습니다. 가정에서 사용하는 것을 포함한 몇몇 회로에는 퓨즈나 회로차단기가 있는데, 이 장치는 회로에 너무 많은 전류가 흐르면 회로를 열어주는 자동스위치 노릇을 합니다. 전류가 너무 많이 흐르면 전선을 과열시켜 화재를 일으키거나, 출력장치를 망가뜨릴 수도 있습니다. 손전등이나 전등의 회로는 보통 세 부분으로 단순하게 구성되지만, 컴퓨터나 텔레비전에 쓰이는 회로는 수백 개나 수천 개의 회로로 복잡하게 이루어져 있습니다. 가장 단순한 회로를 제외한 모든 전기회로는 직렬회로, 병렬회로, 복합회로 중의 하나입니다. 전기회로는 대부분 직렬과 병렬이 섞여 있는 복합회로입니다.

 

 

직렬회로

전원과 출력장치를 하나의 길로 연결한 회로입니다. 만일 직렬회로를 종이 위에 그린다면, 회로의 한 점에서 출발한 선은 회로의 다른 부분을 모두 한 번씩 지난 후 다시 출발점으로 돌아오게 됩니다. 예를 들어 전지 두 개로 작동되는 손전등의 경우, 첫 번째 전지의 (+) 극은 두 번째 전지의 (-) 극과 이어져 있고, 두 번째 전지의 (+) 극은 손전등 전구의 중심 단자와 이어져 있습니다. 스위치가 닫힐 때, 전구의 외부단자와 첫 번째 전지의 (-) 극과 연결되어 회로가 완성되므로 전구에 불이 들어옵니다. 직렬회로는 손전등이나 크리스마스트리의 장식등과 같이 단순한 기구에 쓰입니다. 직렬회로는 회로의 한 부분에 작은 변화라도 생기면 회로의 다른 부분에도 영향을 주기 때문에 사용 범위가 제한되어 있습니다. 만일 직렬회로에 있는 전구 한 개가 끊어지면, 이 전구가 회로의 연결을 끊어버리기 때문에 다른 모든 전구도 불이 켜지지 않습니다. 직렬회로의 전체 전압은 각 전원의 전압을 모두 더한 값입니다. 그러나 각 전원과 출력장치에는 같은 양의 전류가 흐릅니다. 예를 들어 전지 두 개로 연결된 손전등에서 전지 한 개의 전압이 1.5V이면, 전체 전압은 두 배인 3V가 되지만, 각 전지와 전구에는 같은 양의 전류가 흐릅니다. 전원 한 개의 전압보다 높은 전압을 공급하려면 전원을 직렬로 연결해 씁니다.

 

병렬회로

전류가 흐르는 길이 두 개 이상 있습니다. 즉, 전원에서 흘러나온 전류가 다시 전원으로 돌아오기까지 두 개 이상의 길을 지납니다. 만일 똑같은 전구 두 개가 병렬로 연결되어 있다면, 전지에서 흘러나온 전류는 각 전구를 따로따로 지나 전지로 되돌아옵니다. 그래서 병렬회로는 다른 전구의 회로를 끊지 않고도 둘 중 하나를 회로에서 떼어낼 수 있습니다. 병렬회로는 회로의 모든 전원과 출력장치에 같은 전압을 공급합니다. 예를 들어 병렬로 연결되 1.5V 건전지 두 개는 1.5V의 기전력을 만듭니다. 전원 한 개에서 흐를 수 있는 것보다 더 많은 전류를 흐르게 하려면 전원을 병렬로 연결해서 써야 합니다. 그러나 전압이 같은 전원만을 병렬로 연결할 수 있습니다. 그렇지 않으면 한 전원에서 다른 전원으로 전류가 흘러 전력 손실이 생기기 때문입니다. 가정용 전등과 전기기구는 모두 병렬로 연결되어 있습니다.

 

회로 수학

회로 각 부분의 전류와 전압을 계산하는 데 이용되는 공식으로 옴의 법칙과 키르히호프의 법칙이 있습니다.

 

옴의 법칙

회로의 전류, 전압, 저항의 관계를 식으로 나타낸 것입니다. 저항은 전류의 흐름을 방해하며, 전기에너지를 열로 바꾸어 회로의 전력을 소모합니다. 저항의 크기를 나타내는 단위는 옴(Ω)을 씁니다. 옴의 법칙은 식 V=1R로 표현합니다. 이 법칙은 전압(V)이 전류(I)와 이 전류에 생기는 저항(R)을 곱한 값과 같음을 뜻합니다. 만약, 3A의 전류가 2Ω의 저항을 받으며 흐른다면 전압은 3A×2Ω=6V입니다. 직렬회로에서 전체 저항은 회로 안의 각 저항을 모두 더한 것과 같습니다. 직렬회로에 전기기구를 새로 첨가하면, 저항은 커지고 전체 전류는 작아집니다. 그러나 병렬회로에서는 전류가 흐를 수 있는 또 다른 길이 생기는 셈이므로 전체 저항은 작아집니다.

 

키르히호프의 제1법칙

저항이 있는 회로의 어떤 한 점으로 흘러들어가는 전류의 합은 그 점에서 흘러나오는 전류의 합과 같다는 법칙입니다. 이 법칙은 회로의 어떤 점에도 전하가 쌓일 수 없다는 사실에 바탕을 두고 있습니다.

 

키르히호프의 제2법칙

어떤 회로를 따라 한 바퀴 도는 경우, 전압의 변화는 0이 된다는 법칙입니다. 다시 말해 전원을 통과할 때

 커진 전압이 출력장치를 통과하면서 줄어든다는 것입니다. 예를 들어 건전지 두 개가 들어 있는 손전등의 경우, 두 전지는 각각 1.5V씩 전체적으로 전압을 3V만큼 크게 하지만, 전구를 지나고 나면 전압은 3V만큼 줄어듭니다.