[전자회로] 5. 전위

[엔지닉 전자공학 칼럼소개]

여러분 안녕하세요, 전자공학의 기본이론에 대한 칼럼을 연재하게 된 김태영입니다.
전기/전자 공학은 반도체 및 통신관련 산업의 기술적 근간이 되는 지식체계라고 할 수 있는데요. 이 분야를 이해하기 위해서 필요한 기초지식을 한데 모아 알기 쉽게 설명해 보려고 합니다. 칼럼을 읽어나가다 보면 전공자들은 취업에 앞서 빠르게 기초를 재정리 할 수 있고요, 비전공자 분들은 기술적 용어에 대한 생소함에서 벗어나 흥미를 가지고 전자공학으로 진입할 수 있을 것입니다. 이 칼럼이 반도체, 통신, 전기/전자 분야 업종 취업을 준비하시는 분들에게도 유익한 도움을 제공할 것을 기대합니다. 감사합니다.
-김태영

 전위는 회로의 작동을 이해하는데 정말 중요한 개념입니다. 먼저 전위의 개념을 다음과 같이 설명해보겠습니다.

 일단 전위가 '에너지'의 개념인 것을 이해하시기 바랍니다. 전하는 에너지(=뭔가 할 수 있는 능력)를 갖고 있다고 했지요? 전구에 불이 켜지고, 모터가 회전하는 것은 전하의 이 에너지를 사용해서 얻은 기능입니다.

 그림을 보세요.

 전류가 흐르는 회로인데, 10C(임의로 택한 값입니다)의 전하들을 추적해보니, 회로의 a, b, c, d 지점에서 갖는 전기적 에너지가 각각 100J, 60J, 50J, 0J 이었습니다. (에너지의 단위가 J(주울)인 것 아시지요?)

a지점에서 100J이었는데, b지점을 지날 때 60J이 되었다는 얘기는 전구 L1이 100J-60J = 40J 의 에너지를 사용해서 불을 켰다는 의미입니다. 이해되시나요? 마찬가지로 전구 L2는 10J의 에너지를 소비했다는 것이고, 모터는 50J의 에너지를 소비해서 모터를 돌린 것이 됩니다.

 이 값들은 어디까지나 인 경우인데, 이 수치들을 단위 전하량당 에너지로 바꾸면 그림과 같이 될 것입니다. 예를 들어 a지점에서 이 갖는 에너지가 100[J]이었는데, 100[J]을 으로 나눈 양은 이 됩니다. 단위가 이므로 그 의미는 1C당 갖는 에너지가 되지요. 이 양을 그 지점에서 전위라고 하는 것입니다.

 전위의 단위는 로 정의합니다. 이제 주어진 회로의 각 점 a, b, c 그리고 d에서 전위를 나타낸 그림을 보세요.

 이 용어에 익숙해지셔야 합니다. 예를 들어 b지점의 전위가 6V네요. 이게 무슨 의미라구요? 예, 1C이 이 지점을 지날 때 에너지가 6J이라는 의미지요. c지점의 전위는 5V이므로 결국 1C이 b에서 c지점으로 갈 때 전구 L2는 1J의 에너지를 소비했다는 의미가 됩니다.

 이처럼 회로 상에 전위를 표시하면 각 지점에서 1C이 갖는 에너지 상태에 대한 전체적인 지도를 얻게 됩니다. 그러니까 전류의 방향을 따라가 보면 각 지점에서 얼마만큼의 에너지가 증감하는지를 파악할 수 있게 되는 것입니다.

 자, 그럼 공식으로 전위를 표현해 보겠습니다.

 Q[C]의 전하가 회로의 어떤 지점에서 갖는 전기 에너지가 일 때 그 지점에서 전위 는 다음과 같습니다.

 여기서 단위 V(volt, 볼트)는 입니다.