전기 에너지의 소모 {저항의 연결}

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성취 기준

전기 회로에서 저항의 연결에 따라 소비 전력이 달라짐을 알고, 다양한 전기 기구에서 적용되는 사례를 찾을 수 있다.

물리학 전개도

 

판서 조직도

 

19세에 무작정 서울로 올라와 홍대에서 147일 동안 노숙하는 등, 참 오랫동안 되는 일 하나 없이 긴 시간을 무명으로 지내다가, '나는 반딧불'을 불러 40세가 넘은 데뷔 14년 차에 비로소 세상의 빛을 바라본 황가람. 그가 전하는 삶의 철학과 같은 결을 공유하는 물리학의 이야기에 대해 배우는 시간입니다. 

 

1. 전류, 전압, 저항의 관계

1) 전류와 저항

① 전류

전류 I는 단위 시간에 도선의 단면을 통과하는 전하량으로, 시간 t초 동안 도선의 단면을 통과하는 전하량이 Q일 때 전류의 세기 I는 다음과 같이 정의됩니다. 단위는 A입니다.

 

 

즉 1A는 1초 동안 통과한 전하량이 1C 일 때의 전류의 세기입니다.

 

전류의 방향과 전자의 이동 방향

② 저항

저항 R은 전류의 흐름을 방해하는 정도로써 단위는 Ω입니다.

 

도선의 물리적 특성에 따라 변하는 저항

 

도선의 길이 L가 길면 길수록 단면적 S이 좁으면 좁을수록, 전자가 이동하는 데 방해를 많이 받습니다. 그 말은 도선의 길이가 길고 단면적이 좁을수록 저항이 커진다는 뜻이에요. 이처럼 저항의 크기는 도선의 물리적 특성에 영향을 받습니다. 

 

전기 회로 기호

 

2) 옴의 법칙

 

전류를 흐르게 하는 원인인 전압이 커지거나, 전류를 방해하는 정도인 저항이 작아진다면, 회로에 흐르는 전류의 세기는 증가할 거예요. 이처럼 전류는 전압에 비례하고, 저항에 반비례하는 관계를 옴의 법칙이라 합니다.

 

 

3) 전력

전력 P이란 단위 시간 동안 공급되거나 소비된 전기 에너지 W이며, 단위는 W입니다. 

 

 

전력량

전력에 시간을 곱한 값으로 단위는 Wh를 사용합니다. 

 

2. 저항의 연결과 전기 안전

1) 저항의 직렬연결

 

전압에 관한 키르히호프 법칙, 에너지 보존 법칙

전압이란 저항 양단의 전위차(=단위 전하당 전기 위치 에너지의 차이)를 유지하여 전류 I를 지속적으로 흐르게 하는 능력으로써 에너지에 가까운 개념입니다. 자연 만물의 기저에 있는 에너지 보존 법칙에 따라 회로 전체의 전압은 회로 내의 각 저항에 걸린 전압을 모두 합한 것과 같습니다. 

 

저항을 직렬로 연결하는 것은 저항체를 길게 하는 것

저항을 직렬로 연결하면, 이는 저항의 길이가 그만큼 늘어난 것과 같은 효과를 냅니다. 저항값은 길이에 비례하여 증가하므로, 직렬 연결된 전체 저항은 각 저항의 값을 모두 더한 것과 동일하게 커집니다.

직렬 연결된 저항의 전력 관계를 활용한 전기 안전

 

전기 기구를 직렬로 추가 연결하는 경우에는 전체 저항, R합성이 증가하므로 전체 소비전력, P전체는 감소합니다. 하지만 하나만 고장 나도 회로 전체에 전류가 흐르지 않게 되므로 연결된 모든 전기 기구가 작동하지 않습니다. 이를 활용하여 전원 차단 장치는 회로에 직렬로 연결합니다.

 

2) 저항의 병렬연결

 

전류에 관한 키르히호프 법칙, 전하량 보존 법칙

회로 내의 어느 지점에서든 들어오는 전류와 나가는 전류의 합은 같습니다.

 

저항을 병렬로 연결하는 것은 저항체를 넓히는 것

병렬연결은 직렬과 다르게 저항의 길이를 늘이는 효과가 아니라, 단면적을 넓히는 효과를 냅니다. 전류가 흐를 수 있는 통로가 여러 갈래로 늘어나므로 전체 저항은 각 통로가 제공하는 전도성(1/R)의 합만큼 작아집니다.

병렬 연결된 저항의 전력 관계를 활용한 전기 안전

 

전기 기구를 병렬로 추가 연결하는 경우에는 전체 저항, R합성이 감소하므로 전체 소비전력, P전체는 증가합니다. 하지만 하나가 고장 나더라도 각 전기 기구에 걸리는 전압은 변하지 않으므로 다른 전기 기구의 작동에 문제가 없습니다. 이를 활용한 장치가 멀티탭입니다.

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보이지 않는 것을 믿는다는 것

"우리가 별까지의 거리, 별의 크기, 별의 움직임을 알아낼 수는 있지만, 지금까지 밝혀진 모든 것을 가지고 풀려고 해도 절대 해명할 수 없는 수수께끼가 있다. 그것은 별이 무엇으로 이루어져 있는가라는 문제이다." 프랑스의 철학자 오귀스트 콩트는 머나먼 별의 성분을 아는 것은 불가능하다고 단정 지었어요. 왜냐하면 그곳으로 갈 수 없으니까요. 하지만 독일의 물리학자 키르히호프는 그곳에 직접 가지 않고도, 분광기를 활용한 태양광 스펙트럼 연구를 통해 태양과 멀리 떨어져 있는 별들의 성분을 알아내는 데 성공합니다. 

 

 

네. 전기 회로의 역학을 설명하는 키르히호프의 법칙, 그 키르히호프 맞습니다. 키르히호프는 전하의 흐름이나 별의 구성처럼 눈으로 직접 보지 못하는 것들을 명료하게 밝혀낸 사람이자 동시에 "보이지 않음은 존재하지 않음을 의미하지 않는다"는 믿음의 승리자입니다. 그와 관련된 재미있는 일화가 있습니다. 

 

분광학 연구를 통해 키르히호프는 태양에 금을 비롯한 여러 원소가 풍부하게 존재한다는 사실을 밝혀냈고, 이를 주변 사람들에게 설명하곤 했습니다. 그러나 그가 거래하던 은행의 지점장은 그 이야기를 듣고 이렇게 비아냥거렸다고 전해집니다.

 

태양에 아무리 금이 많아도 지구로 갖고 오지 못하면 무슨 소용이람?

 

눈에 보이지도 않고, 당장 돈이 되지도 않는 연구에 대한 조소였습니다. 하지만 훗날 키르히호프는 바로 그 분광학 연구의 공로로 대영제국 메달과 함께 상금을 받게 됩니다. 그는 그 상금으로 받은 금화를 지점장 앞에 내려놓으며 시크하게 이 말 한마디를 던집니다.

 

여기, 태양에서 가져온 금.

 

그는 보이지 않는 것을 믿었고, 그 믿음은 결국 현실이 되었습니다.

 

나는 반딧불 - 황가람

https://www.youtube.com/watch?v=xuEaBOqxJBc

 

기나긴 무명 생활 동안 계속해서 안 됐던 기억 때문에 참 힘들었고, 잡힐 듯 잡히지 않는 목표에 온 세상 사람이 하지 말라고 그러는데 나만 못 알아들고 있는 건가라는 자괴감에 자신을 개 똥같은 벌레라고 생각했다던 황가람. 그럼에도 꿈을 포기하지 않고 묵묵히 지켜내 왔던 황가람, 그렇기에 별이 될 수는 없더라도 자신은 눈부시게 밝은 존재라는 그의 노래 가삿말에 울림이 있습니다. 더불어 한 인터뷰 프로그램에 출연하여 우리에게 전하던 “가치 있는 일은 빨리 되는 게 아니니까 더 열심히 했으면 좋겠다.”, 그의 말 한마디가 가슴에 묵직하게 내려앉습니다.

 

우리 삶에도 그런 것들이 있습니다. 남들이 알아보지 못하는 노력. 아무도 응원하지 않는 꿈, 지금은 보이지 않지만 꾸준히 갈고 닦아온 실력. 그 모든 것은 언젠가 태양에서 건져 올린 금처럼 현실이 되어 돌아옵니다. 황가람은 그걸 노래했고, 키르히호프는 실험했고, 그 결과는 각각 다른 방식으로 우리의 삶을 비추고 있습니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.