전기에 대한 이해

 

오옴의 법칙 - 전압 전류 저항의 의미

 

 

 

학교에서 하는 전자회로 실험은 간단한 회로를 통해  전자이론을 검증하여 이론을 체험화 하는 개발능력 과정이다. 이 과정에서 회로 뿐만 아니라 회로의 각종 장비의 사용법 및 회로의 디버깅을 하는 과정 자체를 익힌다. 실전에서 회로를 구상하고 이것이 원하는 동작을 하게 하는 것은 까다로운 작업이다. 개발과정에서 원하는 기능을 하도록 하는 전 과정을 위한 준비인 셈이다.

 

회로이론에서 가장 중요한 것은 회로이론에 나오는 몇 가지 부터 알아야 한다. 전자공학 전공자라면 들어본 오옴의 법칙등과 실전 부품의 이해 및 기능을 알아야 한다. R, L, C의 수동 소자 뿐만 아니라 Diode, TR, FET, OP-AMP등을 이해 해야 한다.

 

전압, 전류, 저항의 이해

 

전압이란 무엇인가? 가장 간단한것 같으면서도 쉽게 이해하지 못하는 것이 이것이다. 물리 세계에서의 비교를 통해 생각해 본다.

물론 물리세계의 예는 비교 이므로 상관은 없다.맥스웰 방정식 4개가 전자기를 깔끔하게 정리 했다.

전자기는 통합된 논리적 해석이 가능하지만 중력과 전자기와는 통합을 못했다.

통일장이론(4대 자연의 힘을 통합적으로 만드는 이론체계)이 아직 정립되지 못한 것이다.

소립자 물리학에서 풀어야 할 숙제다.

중력도 아직 정확히 이해를 못하고 있으니, 그나마 아인쉬타인이 중력의 개념을 약간 진 일보 했을 뿐... 중력과 통합하기 위한 아인쉬타인은 노력은 존중을 해야 할것 같다.

따라서 여기서 언급 된 중력과 전자기와는 전혀 상관은 없지만 이해를 쉽게 하기 위해 비교한 것이다.

 

 

위 사진 2개를 비교해 보자. 하늘에서 떨어지는 것은 당연... 그럼 무엇이 떨어지게 하는가?

 

여기서 사람이 떨어질 때의 요소를 보자.

 

1. 떨어지는 물체가 있어야 한다.

2. 중력이 있어야 한다.

 

하늘에서 떨어 지려면 여기 2가지 요소가 없으면 '떨어진다'라고 말할 수 없다. 그러면 우주에서는? 당연히 중력이 없다.

이것을 전기/전자에 비교해 보면

 

1. 중력 - 전압

2. 물체 - 자유전자 

 

이렇게 비교해 볼수 있다. 즉 자유전자가 일단은 있어야 한다. 건전기, 전기망등을 통해 자유전자가 존재 한다.

에너지의 한 형태이다. 그런데 하늘에서 떨어질 때 생각해 보자.

 

 

그러면 하늘에 떨어질 때 낙하산은 왜 사용하는가? 이것역시 너무 당연. 바보냐 이걸 묻게...

낙하산이 없으면 물체가 떨어 지는 속도가 가속되어 지면에 닫는 순간 너무 강한 압력을 받는다. 중력 가속도가 운동 에너지 형태로 물체에 축적되고 이것이 땅에 닫는 순간 속도가 0으로 되면서 속도에너지가 땅과 물체에 강한 압력으로 전환되고, 물체의 형상을 유지할 수 없을 정도로 물체에 충격이 가해진다. 그러나 낙하산을 사용하면 물체에 축적되는 중력가속도를 줄여 물체에 축척되는 에너지 량을 줄여 준다. 땅에 닫는 순간 속도가 0으로 되면서 물체의 속도 에너지는 몸에 흡수 되면서 충격량을 줄인다. 땅에 붙히치는 순간 탕을 구성하는 원자와 낙하물체간에 전자기력에 의해 땅으로 침투할 수는 없다. 전자기력은 자연의 4대힘 중 강한핵력(원자의 중성자와 양성자를 붙잡아 놓아 결합이 가능하게 하는 힘) 다음으로 강한 힘이다. 따라서 이것은 땅의 물체의 원자 화학결합은 어느 정도 해체할 수는 있어도 깊이는 파고 들어가는 것이 불가능 하다. 땅에 닫는 순간의 속도 에너지는 모조리 에너지 전환이 되면서 강한 압력과 열등이 발생 한다.

낙하산이 하는 역할은 물체가 중력에 의해 떨어지는 힘을 방해하는 요소로 작용한다. 따라서 우리가 생명을 유지할 수 있는 목적으로 사용할 수 있다. 이 때의 요소를 다시 생각하면

 

1. 떨어지는 물체가 있어야 한다.

2. 중력이 있어야 한다.

3. 떨어지는 힘을 조절하기 위한 중력의 반대방향으로 저항하는 힘이 있다.

 

이것을 다시 전자의 흐름에 비교하면

 

1.      자유전자에 작용하는 힘 : 전압 - 중력    : 물체를 당기는 힘

2.                                  자유전자 - 물체

3. 전자의 흐름을 방해하는 힘 : 저항  - 낙하산 : 물체의 중력가속도를 제한

 

이렇게 3가지 요소가 존재할 때 물체의 이동을 적절히 표현 할 수 있다. 자유전자는 전압이 존재하면 당기는 힘이 발생해 빛의 속도로 이동 한다.

따라서 전압과 저항이 존재하는 시스템에서 자유전자의 흐름이 전류이다. 전류라는 것은 얼마나 많은 량의 전자가 흐르는가를 나타내는 량이다.

낙하산의 경우 전쟁터에서 10명이 낙하할 수 있고, 100명이 낙하할 수 있다. 이 군인의 수가 전류이다.

 

위와 같은 물체나 전자의 흐름은 일정한 법칙이 존재 한다. 이것을 전자에서는 오움의 법칙이라고 한다. 전압, 전류, 저항의 3가지 요소의 법칙이다.

 

 

그런데 낙하산은 물체가 중력에 의한 이동하는 힘을 방해하는 요소이다. 그림처럼 낙하산이 크면 공기 저항이 커서 물체가 천천히 떨어질 것이다. 저항치라는 것은 숫자가 클 수록 흐름을 많이 방해 한다는 이야기 이다.

 

저항치의 값 표현

. 저항 0      : 저항을 하는 힘이 없다.

. 저항 일정 : 일정량의 저항치를 갖는다.

. 저항 ∞    : 저항이 너무 커 움직을 수 없다.

 

 

 

1. 오옴의 법칙

 

 

가장 기초적인 법칙이다.

 

                  

 

전기의 흐름 법칙이다. 전자공학에서 가장 기초적인 법칙이다. 여기서 3가지 요소를 생각해 보면

- V : 두 지점간의 전위차. 전자에 가해지는 압력이다. 당기는 힘 정도로 생각하면 쉽다. 얼마나 세게 당기는가를 나타낸다.

- R : 전압차에 의해 당기는 힘이 발생할 때 전자가 흐르는데 이 때 흐름을 방해하는 정도를 말한다.

- I : 전자가 흐르는 량을 말한다. 전제 조건은 물론 전자가 있어야 하고 전자를 흐르게 하는 압력(전압)이 있어야 흐를 것이다.

 

 

 

전자가 흐를 때의 법칙은 간단하다. 이 때 전압은 두지점이다. 그럼 두 지점은 무엇을 말하는가? 물론 공간의 의미와 두 지점간의 전압차가 존재 해야 한다. 전압과 자유전자의 존재는 이해 발전을 통해 이루어 지고 이것이 특정 위치 까지는 저항 0이라는 것으로 처리 한다.

즉, 두지점에서 전압이 존재할 때 전류가 흐르려면 패쇄 망이 존재 해야 한다. 저항은 공간적으로 특정 위치를 차지하고 있어 여기까지는 저항 0이라는 요소를 통해 전자를 이동 시킨다. 실제의 경우 전선은 저항 0으로 생각하고 저항 물체까지 저항없이 자유전자를 이동 시키고 이것이 저항치에 집중되는 현상이 전자 장치에는 있다. 그러나 실제로 구리선이라도 저항치는 0이 아니라 적은 저항치를 갖는다. 이것이 저항의 값과 비교가 되지 않기 때문에 상관을 하지 않는 것 뿐이다. PCB에서 50오옴 임피던스 매칭을 많이 하는데 구리선이 저항이 0이 아니다. 그리고 저항치 ∞라는 것으로 전자의 흐름을 못하게 한다. 공기가 대표적이다. 공기를 뚤고 가는 것이 번개이다. 그러나 대부분은 공기중에는 전기 에너지가 흐르지 않는다. 그렇지만 주파수가 높아지면 구리선 안쪽으로는 전기가 흐를 수 없어서 우리 생활에서 무선이 가능한 것이다. 이럴 경우가 회로 설계가 어렵다. 형상에 따라 회로가 달라지기 때문이다. RF기술이 이것이다. 초고주파공학...

 

 

전압

 

전압은 두 지점간의 전위차를 말하는 것이기 때문에 두지점이 필요하다. 이것은 다분히 상대치이다. 두 지점간에. 그런데 전자회로는 여러 소자들이 결합되어야 하나의 시스템이 만들어 진다. 따라서 여러 지점이 하나의 시스템에 존재한다. 그래서 여러 지점의 기준이 필요한데 이것이 GND(ground) 이다. 모든 지점은 이 기준전압으로 부터 전압이 결정된다. 주로 이것은 그 시스템내에서의 기준 전압일 뿐이다. 다른 기준지점간에도 전압차가 있지만 이것은 저항이 무한대라고 생각하고 하나의 시스템으로 상각하면 된다. 컴퓨터라면 컴퓨터내의 기준점으로 부터 전압을 말한다. 컴퓨터의 기준지점이 TV내의 기준점을 생각하지 않는다. 컴퓨터와 TV의 기준점 간의 전압은 얼마인지 모르지만 이것간의 저항을 무한대라고 생각하고 무시 한다. 따라서 컴퓨터를 설계하는 사람은 컴퓨터의 기준점으로 부터 시스템 내의 전압만을 고려 하여 설계하면 된다. 이것은 너무 당연 한것 같지만 회로 내부 설계에 편의성을 제공 한다.

 

 

발전

 

그렇다면 전기를 만든 방법은

1. 건전기 등의 화학 에너지

2. 자석과 코일을 결합한 전기 발전기

3. 태양전지

 

이렇게 크게 3가지 정도이다.

 

그렇다면 화석에너지와 원자력 발전은

 

 

가장 많이 사용하는 것이 위의 2가지 이다. 발전을 하는 과정상 에너지는 원자력으로 부터 또는 석탄등의 열에너지로 부터 증기를 발생 시킨다. 이 증기가 터빈을 돌려 발전을 한다. 따라서 위 2가지는 결국 전기를 이르키는 구조는 자석과 코일의 결합니다. 증기를 만드는 방법이 화석에너지냐 원자력이냐 다를 뿐이다. 이것은 수력과 풍력도 마찬가지이다.

 

 

풍력역시 둘리는 에너지가 바람이 다르고 결국 원자력이나 발전 방식은 같다.

 

원자력을 구체적으로 보면

 

 

Reactor Vessel에서 핵분열에 의해 열에너지가 발생한다. 이 열에너지는 다시 Steam generator에서 증기가 발생한다. 이 증기가 turbine을 돌려 전기를 발생 시킨다. 증기는 다시 Condenser에 보내 열교환을 통해 식히고 다시 증기 발생 장치로 간다. 외부로 빠져 나온 열은 난방장치로 보낼 수 있어 재 사용이 가능하고 경우에 따라 방출 한다. 바다 또는 강으로.

 

핵분열은 중성자를 조절하여 핵분열을 조절한다. 이 방식에 따라 경수로, 흑연 감속로, 고속증속로등으로 나뉜다.

 

이 증기가 터빈을 돌리면 전기가 발생하는데 구조는

 

 

대규모 전기 발전 장치 이다. 코일과 자석의 결합으로 발전하는데 회전력은 다양한 방식으로 얻는다.

 

교류발전기의 원리를 간단히 보면

 

자석 N-S이 있는 자장속에 코일을 넣고 돌리면 코일에 자장의 변화가 일어난다. 이것이 바로 전기로 발생 한다. 회전의 방식이 가장 간단한 운동 에너지 전환 방식이기 때문에 사용 한다.

 

 자석의 운동에너지가 코일을 통해 기전력이 발생하는 원리가 발전의 기본 원리다. 물론 코일을 돌린것인가 고정자석을 돌릴 것이냐의 구조적 문제는 있지만.

 

전기에너지를 전송하고 사용하는데는 약속된 기준이 필요한데, 전력을 사용하는 단말에서는 가장 많이 생각해야할 전압이 다음과 같이 약속이 되어 있다.

우리나라의 전력은 처음에 110V에서 지금은 AC 220V 60Hz을 사용한다. 전력 효율상 전압이 유리하기 때문이다.

그러나 세계적으로는 50Hz도 사용한다.이것은 위에서 언급한 발전 방식에 따라 결정 된다. 

 

http://en.wikipedia.org/wiki/Utility_frequency

 

http://en.wikipedia.org/wiki/Mains_power_systems

 

 

화학 전지

 

화학전지는

 

1차전지 : 한번 사용하면 재 사용 불가능 - 건전지

2차전지 : 충전이 가능한 전지 - 볼타전지 - 자동차 받데리, Ni-MH

 

 

1차전지

2차전지

 

 

화학 반응에 의해 전자가 흐르게 되고 이것이 전기에너기로 전환 된 것이다.

화학작용을 하면서 중성이던 원자가 한쪽에는 자유전자가 빠져나가 +전하를 띠고 반대 쪽에는 음전하로 나누어지는 구조로 만든다.

따라서 이 원자간에 중성이 깨지면서 전지장을 형성하여 이것이 전압으로 나타난다.

 

 

태양전지

 

 

 

P-N 반도체의 결합으로 광자에 의해 photovoltaic effect 방식으로 발전 된다. 빛만 있으면 계속 생산 된다.

 

 

위와 같은 다양한 방식으로 전기를 만들어서 사용 한다. 어째든 결론적으로는 자유전자와 전압이라는 요소로 발전기로 부터 출력 된다. 어떤 방식이든 물리적으로 같은 전기 이고 AC냐 DC냐에 따라 적절히 사용하면 된다.

 

 

 

저항과 전류

 

전기 에너지는 결국 다른 형태의 에너지가 전기에너지라는 물리적 량으로 바뀐 것이다. 그런데 바뀌는 과정에서 물리계의 법칙에 따라 형태가 변하는 것을 알수 있다. 열에너지를 회전에너지로 바꾸고 이것을 다시 자석을 돌려 코일과 자장의 변화로 전기에너지를 유도 했다. 전지의 경우는 화학에너지가 결국 전기 에너지로 변환되어 있는 형태이다. 결국 물리/화학 에너지가 전기에너지로 바뀌면 이것은 에너지의 형태가 바뀐 것이다. 그러나 이것들은 직접적으로 다른 형태로는 영향을 주지 않는다. 예를 들어 전기에너지가 빛에 영향을 주지 않는다. 전기에너지는 또한 중력에너지에도 영향을 주지 않는다.

전기에너지는 현재 전자공학에서 이용하는 것은 전계와 자계의 변환과 상호 영향을 통해 이루어진다. 발전에서 자장에너지의 변화가 코일이라는 물리적 현상을 통해 전기에너지로 변환 되었고, 공기중에는 높은 주파수의 전기에너지는 전계와 자계의 서로 발전 과정을 거쳐 공간적 이동을 한다.

직류와 같은 전기에너지는 도체를 통해 이동하지만, 주파수가 높은  교류의 전기에너지는 구리선 밖으로 나오려는 현상 때문에 특정 주파수 이상이 되면 전파로 된다. 예를 들어 이동 통신에서 많이 듣는 800Mhz, 1-2GHz 대의 전기에너지는 구리선 밖으로 전계와 자계를 반복하면서 전파 한다. 공기중에서 전계가 자계로 발전현상을 유도하고 다시 자계는 전계로 발전을 유도해 공간 이동 한다.

 

어쨋든 전기에너지는 자유전자로 표현 되지만 에너지가 어느 쪽으로 이동하려는 성질, 즉 전압이 존재하고 이것이 자유전자의 흐름을 유도한다. 이 때 저항은 이 흐름을 막는 역활을 한다. 본질적으로 자유전자는 에너지가 존재하는 것이므로 이동을 방해하면 에너지 변환이 이루어 지면서 열을 발생 한다.

낙하산의 예에서 중력가속도가 물체의 속도를 높여 중력 위치에너지는 다시 속도 에너지로 변환되고 이것이 지면에 닫는 순간 속도의 급격한 변화를 유도 한다. 즉, 속도 에너지가  속도가 0으로 줄면서 에너지가 다른 곳으로 바뀌는데 이것이 충돌이다. 이 때 바로 에너지 전환이 이루어 지면서 상당한 열과 물체에 충격을 주었다. 

전기에너지의 본래 전압에 의한 이동을 방해하면 이 때 에너지 변환이 이루어 지고 저항체에서는 열로 변환 된다. 즉, 빛의 속도로 가다가 이것이 저항체를 만나면 이동이 제한 되면서 압력으로 작용하여 열이 발생 한다.

그러나 코일과 콘덴서는 에너지 저장 형태가 다르므로 이것들은 에너지 변환이 다른 형태로 나타난다.

코일에 전압을 가하면 전류가 흐르면서 자장을 형성해 에너지를 저장 한다. 즉, 일정한 전류가 흐르면 자장이 발생하고 이것의 변화는 곧 에너지 변환으로 유도 된다.

일정한 전류라면 자유전자가 일정하게 흐르고 있는 상태인데, 전류의 량이 변하면 이것이 자장의 변화를 유도한다. 전기 에너지가 코일에서 자장으로 변환되어 있으므로 해서 저장되는데, 저항에서는 열로 변환 되었지만 코일에서 자장의 변화는 곧 에너지의 변환으로 연결 된다. 자장으로 저장된 에너지가 전류가 없어지면 소멸되는데

이 에너지는 어디로든 흡수 되던지 해야 한다. 이것을 콘덴서에 전기에너지를 저장으로 바꿀수도 있고, 저항의 열에너지로 변환할 수 있다. 이것은 회로의 연결에 따라 결정된다. 그러나 에너지 변환이 없다면 어떻게 될까? 즉 일정한 전류가 흘러 저장된 자장 에너지를 코일에 흘러 들어가는 전류를 제한 한다면, 스위치를 연결하여 스위치을 닫는 순간 순간적으로 자장에너지가 변환을 해야 하는데 그렇게 될 수가 없다. 이런 경우 전류패스를 달리 하여 측적된 에너지를 소멸 시켜 주어 전류가 0으로 가도록 해야 한다. 어떤 에너지도 순간적으로 없어질 수 없다. 저장된 에너지 만큼 시간적으로 서서히 없애지 않으면 짧은 순간에 에너지 소멸을 해야 하기 때문에, 강한 전압이 발생하여 스위치에 스파크를 일으킨다. 전기 제품 중에 모터로 동작하는 기계는 전기 스위치를 여는 순간 스파크가 일어 나는 것이 에너지의 급격한 변화이다. 콘덴서는 코일과 다른 형태의 에너지 저장 기능을 한다.  

정리하면 저항은 자유전자의 흐름을 방해하는 물리적 요소이므로 방해 할 때, 열 에너지로 변환 된다. 쉽게 전자가 저항체의 물체에 부딪쳐 속도가 느려지면서 전류가 제한 되므로 이 때의 에너지가 바로 열에너지라고 생각하면 쉬울 것이다. 그리고 전기에너지의 축적은 코일과 콘덴서가 하고 이것이 저항과 결합되어 원하는 기능적을 하도록 한다. 

 

 

두 지점간 전압 차에 의해 전기가 흐를 때 방해하는 요소가 저항인데 그렇다면 규칙이 있어야 이 현상을 이용할 수 있다.

이것이 오옴의 법칙이다.

전류가 흐르는 량은 오옴의 법칙에 따라 흐른다. 공식에서도 알 수 있듯이 이 값의 의미가 저항의 수치 이므로 수치가 크면 저항하는 힘이 크다는 이야기 이다.

 

 

전력

 

여기서 한번 생각할 것이 번개에 맞으면 사람은 생명이 위험하다 . 그러나 정전기는 버틸만 하다. 정전기도 몇만 볼트까지 가는데...

거 참.

왜 일까?

이 문제를 이해 하기 위해 다음과 같은 생각 부터 차근차근 생각 한다.

번개는 구름과 지상 사이에서 전기 에너지가 흐르는 것이다. 공기가 절연체로 존재 하다가 전압이 너무 커지면 항복저항 이상이 되면서 절연 파괴가 일어난다.

 

 

뇌운은 결국 태양에너지에 의해 증발하면서 여러가지 화학적 물리적 현상으로 전하가 나누어져 축적되는 현상이다.

구름에는 음전하가 지구의 땅에는 양전하가 분리되어 전기장을 형성 한다. 이 전기장이 공기의 절연효과에 의해 나누어져 있는 상태이다.

음전하가 땅으로 방전하기 위해서는 전류가 흘러야 하는데 공기의 절연효과로 억제 되어 있는 상태이다.

여기서 공기의 저항 R = ∽ 이라고 쉽게 생각 해 보자. 실제로는 어떤 값을 가질 것이다. 번개 구름이 전하가 쌓이면 지상과의 전압이 점점 올라가 드디어는

 

 

가 된다.

 

이렇게 되면 실제로 무한대가 아니므로 임계 전압에서 전류가 흐르면서 지상(GND, ground)과의 패스가 형성된다.

 

다음 몇몇 낙뢰에 대한 자료 출처는 다음과 같다.

출처 : 운항안전을 위한 낙뢰예측시스템 구축방안 (교통안전공단 항공안전센터)

 

뇌운은 결정 전하의 분리에 의해 대규모 전기장이 형성되어 두 전하 그룹간의 고 전압이 발생 한다.

여기서 공기는 절연체라는게 일반 상식이다. 그러나 축적된 전하량이 많아져서 전압이 점점 높아지면 절연이 버틸 수 있는 한계에 도달하고 절연이 파괴되면서 공기중의 원자들이 프라즈마 형태를 트면서 도체 역활을 한다.

낙뢰 에너지의 전력과 전력량은, 단순화를 위해 직류전력을 가정하면 전압과 전류의 곱으로 구해질 수 있다.

낙뢰전력의 한 예로써 전류를 100㎄, 뇌운전압을 1억V로 구해보면,

(100㎄x 1억V) = 100억㎾

로 매우 큰 에너지를 갖고 있음을 알 수 있다. 따라서 이러한 에너지가 특정지점에 집중되는 경우 매우 큰 파괴력을 갖는다.

한편, 전력량은 에너지가 가해진 시간에 비례하므로 낙뢰가 매우 짧은 시간동안 이루어지는 것임을 감안할 때 낙뢰의 전력량은 생각보다 큰 양은 아니다.

만약, 1회 낙뢰시간이 80㎲라고 가정했을 때,

(100㎄x 1억V x 80㎲) =약222㎾시

가 된다.이것을 조명에 사용한다면,프로야구 야간경기의 경우 20분간, 일반 가정이라면2개월을 사용할 수 있는 양이다.

(출처 : 교통안전공단 항공안전센터)

이에 비해 정전기는 어떤가? 정전기는 옷감 등의 다른 재질의 마찰이 정전기 축적이 일어나서 역시 고전압이 생성된다. 손으로 만지는 순간 사람의 몸으로 흡수되면 순간적으로 전기가 흐른다. 사람의 GND 처럼 C역활을 한 것이다.

번개에 맞으면 사람은 생명이 위험하다. 그러나 정전기는 버틸만 하다. 정전기도 몇만 볼트까지 가는데.

이 의문의 해답이 바로 전력이다. 즉, 번개의 전기 에너지는 에너지량이 많아서 사람읕 통해 GND로 흐를 때 많은 량의 전자가 흘러 가면서 순간 열작용을 한다.

그러나 정전기는 전압은 높지만 전력량은 작아서 피해가 거의 없다.

 

이렇게 전기가 흘렀을 때, 전기에너지 량을 표시할 필요가 있다. 단순히 전압으로 전기에너지를 표현이 불가능하다.

 

 

   

 

 

 전력은 오옴의 법칙 3요소에 의해 전기 에너지 흐름이 발생 한다. 그런데 단순히 전압이 높다고 총체의 에너지 량이 많은 것이 아니다.

결국 에너지 변환과정을 통한 일을 하려면 전체 에너지 량이 일의 정도에 따라 소비 되어야 한다. 이것의 척도가 Power [W] 이다.

전기의 흐를 때 DC는 간단히 전압 x 전류로 전체 소비되는 에너지의 총량을 말한다. 그러나 AC는 실효전력 등의 수치로 전체 에너지를 표현 해야 한다.

 

그리고 이것은 시스템의 기능을 하는 한 전기 에너지를 사용한다.

어떤 경우는 전기 에너지를 일상에서 필요한 다른 물리 에너지로 바꾸어 사용하지만 정보 처리를 위한 에너지도 필요하다.

전기에너지를 회전 에너지로 바꾸는 것이 모터이고, 정보를 처리하기 위한 에너지를 소비하는 것이 컴퓨터, 셀폰 등이다.

정보 처리를 위해서는 정보 처리과정상 에너지가 적게 들고도 같은 정보 처리가 유리하다.

 

전기의 흐름

 

그렇다면 번개를 칠 때 자동차를 타고 있어야 안전할까 아니면 차 밖에 있는 것이 안전할까? 비행기도 안에서 안전하듯이 차 역시 마찬가지이다.

차에 일정한 차폐 역활을 한다. 전기는 분명한 것은 흘러 들어오면 나가는 길이 있어야 한다. 들어 왔는데 나가는 곳이 없다면 이것은 전기 통로가 없기 때문에 감전이 되지 않는 것이다.

이것은 우리가 칩을 알루미늄 호일을 싸서 모든 핀의 전압을 0으로 맞추어 정전기가 특정 핀으로 들어가는 것을 막는 원리와 같다. 금속이 모든 전압이 같게 만들어 전류가 흐르지 않게 하는 것이다. 전류가 흘러 칩의 반도체에 열 작용을 해야 하는데 고전압에 주의에 있어도 모든 핀의 전압이 같다면 오움의 법칙에 따라 0 인것 이다.

비행기가 이렇게 낙뢰의 설계 덕분에 번개를 맞고도 잘도 날아가는 것이다.

 

 

그럼 왜 낙뢰를 맞았을 때, 자동차 안이 더 안전할까?

 

안전한 이유는 일찍이 faraday cage라는 기발한 개념으로 쉽게 설명 한다.

영화 '마법사의 제자' 감상을 통해 비주얼하게 이해 할 수 있을 것이다.

이론적으로는 바로 저항에 해답이 있다. 우리가 상식적으로 쉽게 이해 할 수 있는 것이 저항이 높은 쪽으로 전류가 흐를까 저항이 낮은 쪽으로 전류가 흐를까?

이 질문은 오옴의 법칙을 생각 안해도 쉽게 이해 된다. 패러데이감옥에서 사람과 철창 사이에는 공기라는 저항이 있다.

자유전자가 미치지 않는 이상 쇠의 낮은 저항이 있는데 공기의 높은 저항을 뚫고 흐를리가 없을 것이다.  

아니 사람 발이 철장의 닿아 있잖아?

그렇다면 다음 그림 처럼 전선위의 참새는 안전할까?