전류, 전압, 저항
트럭 전지가 4초 동안 시동 모터로 720 C을 보내면 전류는 180 A입니다.
전류는 1초에 지나는 전하입니다
전선 옆에 서서 전선의 한 지점을 지나가는 전하를 센다고 생각해 봅시다. 1초 동안 그 지점을 지나가는 전하의 양을 전류(electric current)라고 하며, 식으로는 I = ΔQ ÷ Δt입니다. 전류의 단위는 앙드레마리 앙페르의 이름을 딴 암페어(A)이며, 1 A는 1초에 1 C의 전하가 지나간다는 뜻입니다. 예를 들어 트럭의 엔진 시동을 걸 때 전지는 4.00초 동안 720 C을 보냅니다. 720 ÷ 4.00 = 180 A입니다. 반면 주머니에 들어가는 계산기는 약 0.300 mA로 움직이므로, 1 C이 지나가는 데 1 ÷ 0.000300 ≈ 3,333초, 거의 한 시간이 걸립니다. 퓨즈와 차단기, 그리고 여러 가전제품에도 견딜 수 있는 전류가 암페어로 적혀 있습니다.
전류는 어느 쪽으로 흐를까요
금속 전선에서 실제로 움직이는 전하는 전자입니다. 전자는 전지의 − 극에서 나와 회로를 한 바퀴 돌아 + 극으로 들어갑니다. 그런데 모든 회로도에 적는 방향은 그 반대 방향입니다. 관습적인 전류(conventional current)의 방향은 양전하가 흐른다면 흘러갈 방향으로 정합니다. 다시 말해 전지의 + 극에서 나와서 − 극으로 돌아오는 방향입니다. 이 약속은 1700년대의 벤저민 프랭클린까지 거슬러 올라갑니다. 어느 쪽 그림으로 생각해도 전류와 전압의 답은 똑같이 나옵니다. 음전하가 왼쪽으로 움직이는 것과 양전하가 오른쪽으로 움직이는 것은 그 효과가 같기 때문입니다. 회로 실험실에서 전자, 전류 화살표, 또는 둘 다를 켜 보면 둘이 언제나 반대쪽을 가리킨다는 것을 볼 수 있습니다.
전자 자체는 아주 느리게 움직입니다. 전자 하나하나는 원자에 부딪혀 튕기면서 지그재그로 움직이고, 그 전자가 평균적으로 앞으로 나아가는 속력인 유동 속도(drift velocity)는 아주 작습니다. OpenStax는 지름이 2.053 mm인 가정용 구리 전선에 20 A의 전류가 흐를 때 이 속력을 계산합니다. 답은 1초에 약 0.45 mm입니다. 그러니 전자 하나가 1 m를 움직이려면 30분이 넘게 걸립니다. 그런데도 스위치를 누르는 바로 그 순간 전등이 켜집니다. 전선 속은 이미 자유 전자로 가득 차 있어서, 한쪽 끝의 전자가 움직이기 시작하면 모든 곳의 전자가 함께 움직이기 때문입니다. 물이 가득 찬 호스와 비슷합니다. 그래서 미는 힘은 거의 빛의 속력으로 전선을 따라 전해집니다.
전압: 1쿨롬이 받는 에너지
전하를 회로에 돌게 하려면 무언가가 전하를 밀어 줘야 합니다. 전지는 자기 안을 지나가는 모든 쿨롬에 일을 해 줍니다. 이때 1쿨롬이 받는 에너지를 전압(voltage)이라고 합니다. 단위는 볼트이며 1 V = 1쿨롬당 1줄(J)입니다. 예를 들어 1.5 V 건전지는 지나가는 1쿨롬마다 1.5 J을 줍니다. 12 V 자동차 전지는 1쿨롬마다 12 J을 줍니다. 그러니 이 전지로 5 C을 보내면 전지는 60 J의 에너지를 내줍니다. 전압은 언제나 두 지점 사이의 차이를 말합니다. 그래서 전압을 다른 이름으로 전위차(potential difference)라고도 부릅니다. 전압은 전지 안에서 올라가고, 고리의 나머지 부분에 있는 전구와 저항을 지나며 내려갑니다. 바로 그곳에서 에너지가 빛과 열로 바뀝니다.
물을 떠올리면 이해하는 데 도움이 됩니다. 전지는 물을 높은 곳으로 끌어올리는 펌프이고, 전압은 펌프가 물을 얼마나 높이 끌어올리는지에 해당합니다. 전류는 1초 동안 한 지점을 지나 흘러가는 물의 양입니다. 그리고 흐름을 붙잡아 두는 좁은 관이 저항의 역할을 합니다. 이 비유를 너무 멀리까지 밀고 가면 맞지 않게 되지만, 같은 관에서 전압이 크면 전류가 더 많이 흐르는 이유는 잘 설명해 줍니다.
저항: 전류를 막는 것
자유 전자는 천천히 이동하면서 물질의 원자와 부딪히고, 그때마다 원자에게 에너지를 넘겨줍니다. 그래서 물질이 따뜻해집니다. 이렇게 전류를 방해하는 정도를 저항(resistance) R이라고 하며, 단위는 옴(Ω)입니다. 전선 하나가 가지는 저항은 그 재료와 길이, 굵기에 따라 달라집니다. 식으로는 R = ρL ÷ A이고, 여기서 ρ는 그 재료의 비저항입니다. 전선이 길수록 저항이 크고, 굵을수록 저항이 작습니다. 아래 표는 OpenStax에 실린 몇 가지 재료의 비저항 값입니다. 집 안 배선에 구리를 쓰는 데는 이유가 있습니다. 구리보다 나은 재료는 은 하나뿐인데, 은은 구리보다 훨씬 비싸기 때문입니다. 한편 구리보다 저항이 약 58배 큰 니크롬은 토스터와 전열기에서 빨갛게 달아오르는 코일에 쓰입니다.
| 재료 | 비저항 ρ (Ω·m) |
|---|---|
| 은 | 1.59 × 10⁻⁸ |
| 구리 | 1.72 × 10⁻⁸ |
| 금 | 2.44 × 10⁻⁸ |
| 알루미늄 | 2.65 × 10⁻⁸ |
| 텅스텐 | 5.6 × 10⁻⁸ |
| 철 | 9.71 × 10⁻⁸ |
| 니크롬 | 100 × 10⁻⁸ |
앞에서 본 가정용 구리 전선 10 m를 예로 들어 숫자를 넣어 계산해 봅시다. 이 전선의 단면적은 π × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m²이므로 R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ω입니다. 이렇게 작기 때문에 우리는 부품을 잇는 연결 전선의 저항을 보통 없는 것으로 칩니다. 회로 실험실도 그렇게 계산합니다.
끌어서 돌리고, 휠이나 두 손가락으로 확대하세요.
| 전류 I | 1초에 지나는 전하, 단위 암페어: 1 A = 1 C/s |
| 전압 V | 1쿨롬당 에너지, 단위 볼트: 1 V = 1 J/C |
| 저항 R | 전류를 방해하는 정도, 단위 옴(Ω) |
| 전류의 방향 | 전지 바깥에서 + 극 → − 극 |
| 전자의 흐름 | 전지 바깥에서 − 극 → + 극 |
| R = ρL ÷ A | 길면 저항이 크고, 굵으면 저항이 작습니다 |
- I = ΔQ ÷ Δt, 1 A = 1 C/s.
- 전류의 방향은 + → −, 전선 속 전자는 − → +로 움직입니다.
- 전자는 1 mm/s도 안 되게 느리지만, 미는 힘은 거의 빛의 속력으로 전해집니다.
- 전압은 1쿨롬당 에너지입니다. 1 V = 1 J/C.
- R = ρL ÷ A, 구리 전선의 저항은 아주 작습니다.
- 시동 모터로 4.00초 동안 720 C이 지나갑니다. 전류는 몇 A일까요?
- 휴대전화가 2 A로 1시간(3,600초) 충전됩니다. 몇 쿨롬이 지나갈까요?
- 계산기에 0.300 mA가 흐릅니다. 1 C이 지나가는 데 몇 초 걸릴까요? (정수)
- 전지 바깥의 구리 전선에서 전자는 어느 쪽으로 움직일까요?
- − 극에서 + 극으로
- + 극에서 − 극으로
- 움직이지 않습니다
- 전자가 1 mm/s도 안 되게 느린데 전등은 왜 바로 켜질까요?
- 전선이 이미 전자로 가득해서 모두 함께 움직이기 시작하므로
- 전자가 스위치에서 전등으로 뛰어가므로
- 전등이 빛을 저장해 두므로
- 12 V 전지가 5 C을 보냅니다. 전하에 주는 에너지는 몇 J일까요?
- 모두 구리 전선입니다. 저항이 가장 큰 것은?
- 길고 가는 것
- 짧고 굵은 것
- 길고 굵은 것
- 짧고 가는 것
- 지름 2.053 mm 구리 전선 10 m의 저항은 몇 Ω일까요? (소수 셋째 자리, ρ = 1.72 × 10⁻⁸ Ω·m)
- 표에서 전기가 가장 잘 통하는 금속은?
- 은
- 구리
- 금
- 철
- 실험실에서 스위치가 열려 있습니다. 전류는?
- 0 A
- 0.5 A
- 전구에 따라 다릅니다
이 과정의 출처 (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
확인한 날: 2026-10-17