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제1장 기초전기 - 3강 7. 쿠울롱의 법칙 전하끼리 서로 흡인하거나 반발하는 힘의 크기는 전하량을 서로 곱한 것에 비례하고 거리의 제곱에는 반비례 하는데 이것을 정전기학상의 쿠울롱의 법칙이라고 한다.  그림 과 같이 Q1과 Q2의 두 전하가 r의 거리에 있다면 Q1과 Q2 사이에 작용하는 힘 F는 다음 식과 같은 관계가 있다는 것이다. 이것을 식으로 나타내면  이것을 정전기학상의 쿠울롱의 법칙이라고 한다. 또 전하량도 많으면 많을수록 흡인력은 커진다. 이것이 쿠울롱의 법칙이다. 전기는 부피나 무게가 없는 에너지이므로 전기량의 단위를 정할 때는 쿠울롱의 법칙을 기초로 하여 정하고 있다. 전기량의 단위를 정할 때에도 자기량의 단위를 정할 때와 마찬가지로 진공상태에서 정한다. 그것은 공기가 있을 때는 밀도에 따라서 전기력이 달라지기 때문이다  전기량의 단위는 그림 1-12과 같이 진공중에서 꼭같은 양의 전하가 1㎝의 거리에서 1다인의 힘으로 작용하고 있을 때 한쪽의 전기량(전하량)을 1CGS·esu라고 정하였다(다른 쪽에도 1CGS·esu의 전기량이 들어 있음). 여기에서 CGS는 ㎝, gram, second의 약자로서 가장 기본이 되는 단위라는 뜻이고, esu electro, static, unit의 약자로서 정전단위라는 뜻이다(전자 1개가 가진 전기량은4.803× 10-10CGS·esu). 그리고 3×109CGS·esu를 1쿠울롱(C)이라고 한다. 전기량의 단위를 이상과 같은 조건으로서 정하였으므로 쿠울롱의 법칙에 실제 숫자를 대입하여 보자. 지금 그림 12에서 Q1=1CGS·esu Q2=1CGS·esu의 두 전하가 r=1㎝의 거리에 있을 때는 위의 단위 결정에 의하면 F=1다인이 작용하므로 (진공 상태에서 단위를 그와 꼭같은 조건으로 정하였기 때문임). F ∝ Q1·Q2/r²에 위의 숫자를 각각 대입하면1∝11/1²이 된다. 여기에서 좌측항 1과 우측항 1×1/1²은 꼭 같으므로 비례기호(∝)를 등호(=)로 바꾸어 놓을 수가 있다. 즉1 = 1×1/1² 이 성립되므로 F ∝ Q1·Q2/r를F = Q1·Q2/r² 로 놓을 수가 있는 것이다. 이것은 진공일 때의 식이나 공기 중에서도 대략 같다. 예를 들어 진공중에서 4CGS·esu의 전하와 5CGS·esu의 전하가 2㎝의 거리에 있다면 그 전하사이에 밀어내거나 잡아당기는 힘 F = 4×5/2²=20/4=5 다인이 된다는 것이다 (공기중에서도 약 5다인으로 작용함). 그리고 Q1과 Q2의 전하가 같은 종류일 때는 밀어내는 힘으로 5다인이 작용하고 다른 종류일 때는 끌어당기는 힘으로 5다인이 작용한다. 만약 위의 두 전하가 1㎝의 거리에 있다면 전기력의 크기는 어떻게 변화하는가를 계산하여 보시라. 거리가 가까워질수록 힘은 월등히 커지는 것이다. 대전체가 있을 때에는 그 주위에 전기력이 미치고 있는데 여기서 전기력이 미치고 있는 주위공간을 전장 또는 전계라고 한다. 전장내에 1CGS·esu의 전하를 놓았을 때 작용하는 전기력의 크기(밀거나 끄는 힘)가 E다인이라면 그 점의 전장의 세기는 ECGS·esu가 된다고 한다. 만약 전장내에 단위의 정전하를 놓았을 때 작용하는 전기력의 크기가 5다인이라면 그 점에 전장의 세기는 5CGS·esu가 되는 것이다. 8. 전력 전력(electric power : P)이란 전기가 단위시간인 1초 동안에 하는 일의 양을 말한다. 따라서 1초 동안에 많은 일을 하는 전기는 전력이 세다고 말하고 1초 동안에 많은 일을 하지 못할 때는 전력이 약하다고 말한다. 초보자 가운데에는 전압이 높기만 하면 전력이 센 것으로 알고 있는 사람이 많으나 그렇지 않을 경우가 있다 전력은 전압과 전류에 비례하므로 전력∝전압×전류의 식을 만들 수 있다. 즉, 사람이 하는 일의양∝정신력×육체력과 같고 수력∝수압×유량과 같으며 전력∝전압×전류와 같다. 이것을 기호로 나타내면 P ∝ E·I 가 된다. 이와 같이 전력은 전압과 전류를 곱한 것에 비례한다. 전력이 단위로서는 아트(watt :W)를 쓰고 있는데 1초 동안에 1쥬울(joule)의 일을 하는 전력을 1W(와트)라고 정하였다. 그런데 앞장에서 전압의 단위를 정할 때에 1쿠울롱의 전하기 이동하여 즉 1A의 전류가 흘러서 1쥬울의 일을 한다면 그 때 1V의 전압이 걸려 있는 것이므로 1V의 전압이 공급되고 1A의 전류가 흐를 때는 그림13과 같이 1W의 전력이 공급되고 있는 것이다. 따라서 E=1V, I=1A, P=1W를 P∝E·I의 식에 대입하면 1∝1×1로서 좌측항과 우측항이 같으므로 비례기호(∝)를 등호(=)로 바꾸어 1=1×1로 놓을 수 있다.  100V의 전압을 공급할 때 10A의 전류가 흐르는 전열기는 P=E·I=100×10=1,000W의 전력을 소비하는데 이러한 전열기는 1초 동안에 1,000쥬울의 일을 하고 있는 것이다. 전력의 단위는 W의 기본단위와 다음의 보조단위가 있다. - 1,000W=1 kW(킬로 와트) - 1/1,000 W=1mW (미리와트) - 1/1,000mW=1 mu W (마이크로와트) 즉 1,000,000μW=106μW=1W 전력공식 P=E·I에 옴의 법칙를 대입해 보면 - I = E / R  9. 전력량 수돗물의 사용량은 수도꼭지를 많이 열수록 많아지고 오랫동안 사용할 수 록 많아지는 것과 같이 전력량에 있어서도 전력과 사용시간에 비례한다. 따라서 전력량은 전력에 사용한 시간을 곱한 것으로 나타내고 있다. 즉 전력량=전력(와트)×시간(시) 1W의 전력을 소비하는 파일로트 램프를 1시간 켜 놓았다면 파일로트 램프(PL)에서 소비된 전력량은 전력량=1W×1h=(1와트 아워 : watt hour)가 된다. 만약 500W 전열기를 6시간 사용한 양은 500×6=3,000Wh가 된다. ※ 1,000Wh=1kWh(킬로와트 아워) 위의 식에 의하면 전력을 절약하려면 큰 전력을 필요로 하는 것일수록 될 수 있으면 짧은 시간만 이용해야 한다는 것을 알 수 있다. 가정에서 흔히 30킬로를 사용했다고 하거나 40킬로를 사용했다고 하는 것은 30kWh나 40kWh를 말하는 것이다. 20W의 형광등을 매일 5시간씩 30일간 사용한 총량은 20×5×30=3,000Wh=3kWh이므로 1kW 전열기를 3시간 사용한 양과 꼭 같은 전력량이다. 10.전압강하(voltage drop) 저녁때가 되어 점점 어두워지면 지역에 따라서는 전등이 점점 흐려지는 곳이 있는데 이것은 점점 어두워짐에 따라 각 가정마다 전력을 더 많이 사용하기 때문에 송전선(送電線)전류가 증가됨으로써 송전선 자체에 들어 있는 저항에 의하여 전력이 소비되며 전압이 낮아지기 때문이다. 이것은 마치 상수도 수원지(水源池)에서 많은 양의 물이 높은 압력으로 보내어지나 도중에서 파이프가 터진 곳이 있게 되면 거기에서 물이 누설(물이 샘)됨과 동시에 수압이 내려가는 것과 같다. 이와 같이 저항이 있는 전기회로에 전류를 흘리면 그 저항의 양단(兩端) : 양끝)에 걸리는 전압만큼 전압이 낮아지는데 이것을 전압강하라고 한다 11. 회로시험기(테스터) 회로 시험기는 일반적으로 테스터라 불리우고 있는 측정기인데 전기 전자 기계를 많이 취급하는 기술자라면 누구에게나 필수적으로 갖추고 있어야 할 측정기이다. 테스터를 이용하면 신속 정확하게 일을 처리할 수 있으나 테스터가 없으면 비능률적임은 말할 것도 없거니와 실수할 우려성도 많고 일이 불가능한 때가 많다. 이와 같이 요긴하게 이용되는 테스터는 제품에 따라서 측정 종류에 약간의 차이가 있는 것도 있으나 일반적인 것은 다음의 종류를 측정할 수 있도록 되어 있다. 측정종류 ① 직류전류측정(DCA) ② 직류전압측정(DCV) ③ 교류전압측정(ACV) ④ 저항측정(ohm) 테스터에 따라서는 교류 전류를 측정할 수 있도록 되어 있는 것도 있고 콘덴서의 용량 측정 코일의 자기유도 계수 측정 데시벨(전압의 크기를 대수적으로 나타낸 것) 측정 등이 나와 있는 것도 있으나 이것은 모두 교류 전압 측정을 응용한 것에 불과한 것이다.  12. 오실로스코프(Oscilloscope) 테스터는 일정주기의 AC 와 DC 만을 측정하는데 반해 오실로스코프는 시간에 대해서 불규칙으로 변하는 신호를 측정할 수 있다. 대부분의 마이콤시스템에서는 시간에 대하여 불규칙적으로 ON_OFF 형태를 가지는 전압(2진 신호)신호가 주된 신호이다. 이런ㄴ 형태로 발생하는 디지털의 세계는 시간에 대하여 불규칙하게 변하는 0 volt 와 5 volt 의 전압 또는 펄스형태를 가지는 전압신호를 측정할 수 있는 도구가 요구된다. 오실로스코프도 테스터와 마찬가지로 디지털 방식과 아날로그방식으로 구분되는데 우리가 필요로 하는 것은 디지털방식을 요구한다. 왜냐하면 마이크로프로세서에서 사용되는 신호는 고속이고 불규칙적인 신호이기 때문이다. 어떤 순간엔 필요한 데이터를 저장해서 볼 수있어야 올바른 측정과 판단이 가능하다.  오실로스코프는 가로축이 시간에 대한 측정범위이고 세로축이 전압의 측정범위가 된다. 측정채널은 2개 이상 있으므로 동시에 2채널 이상의 측정이 가능하다. 그림 1-14는 디지털 오실로스코프로 개인적으로 구입해서 사용하기엔 고가이므로 무리인 듯 싶다. |
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