전압이 높은 전지라면 전류도 언제나 클까요? 전지만 보고는 답할 수 없습니다. 같은 전지라도 무엇을 연결했느냐에 따라 전류가 달라집니다. 전압은 두 점 사이에서 전하 1C당 에너지가 얼마나 달라지는지를 나타내고, 전류는 한 지점을 지나는 전하가 시간당 얼마나 많은지를 나타냅니다. 둘은 함께 회로를 설명하지만 같은 양은 아닙니다. 먼저 각각의 단위를 읽고, 간단한 저항 회로에서 두 양이 어떻게 연결되는지 살펴보겠습니다.
전압은 두 점 사이의 차이입니다
전압의 다른 이름은 전위차입니다. 전위는 전하당 전기적 위치에너지이고, 전압은 두 지점의 전위 차이입니다. 그래서 ‘이 지점의 전압이 6V’라고 말할 때에는 무엇을 기준으로 삼았는지가 필요합니다. 전지 양쪽 단자의 전압이라고 하면 그 두 단자 사이를 비교한다는 뜻입니다. 어느 한 점을 기준 전위 0으로 정할 수 있지만, 기준을 함께 옮겨도 두 점 사이의 차이는 그대로입니다.[S1]
볼트의 단위 관계는 1V=1J/C입니다. 줄(J)은 에너지, 쿨롬(C)은 전하량의 단위입니다. 6V라는 전위차는 전하 1C에 대해 위치에너지 차이가 6J라는 뜻입니다. 전압 자체가 6J의 에너지를 저장한다는 뜻은 아닙니다. 같은 전위차라도 옮기는 전하량이 많으면 그에 대응하는 에너지의 양은 달라집니다. 전압과 전체 에너지를 나눠 보는 이유가 여기에 있습니다.
물의 높이 차이를 떠올리면 ‘차이’라는 말을 이해하기 쉽습니다. 다만 전기를 높은 곳에서 아래로 떨어지는 물과 완전히 같은 것으로 보지는 마세요. 전압에는 두 지점과 전하의 부호가 관련되고, 전기회로는 이어진 경로 전체에서 설명해야 합니다. 비유는 전위차가 비교하는 양이라는 점까지만 빌려 쓰면 충분합니다.
전지가 큰지 작은지, 오래 쓸 수 있는지는 전압 하나로 정해지지 않습니다. 두 전지가 모두 6V라고 해도 옮길 수 있는 전하량과 연결된 회로의 조건은 다를 수 있습니다. ‘6V이므로 에너지도 같다’는 결론을 내리려면 빠진 양을 채워야 합니다. 이 글의 계산에서는 전원이 일정한 6V를 유지한다고 가정하고, 실제 전지의 용량이나 사용 시간을 예측하지 않습니다.
전류는 한 지점을 지나는 전하량입니다
전류를 생각할 때에는 도선에 작은 단면 하나를 그려 보세요. 그 단면을 정해진 시간 동안 전하가 얼마나 통과했는지 보는 것입니다. 전류의 단위 암페어는 1A=1C/s입니다. 1초 동안 1C가 통과하면 평균 전류가 1A이고, 2초 동안 4C가 통과했다면 그 시간 구간의 평균 전류는 2A입니다. 전압의 J/C와 달리 전류에는 시간이 들어갑니다.[S2]
평균과 순간은 구별해야 합니다. 2초 동안 통과한 총량만으로 그 사이 모든 순간의 전류가 같았다고 알 수는 없습니다. 처음에는 크고 나중에는 작았을 수도 있습니다. 여기서는 시간에 따라 전류가 변하지 않는 정상 직류 회로를 다루므로, 일정 시간의 평균과 일정한 전류를 함께 읽을 수 있습니다.
전하량을 세는 단위와 시간을 함께 읽는 것도 중요합니다. 4C가 통과했다는 정보만으로 전류가 4A라고 말할 수는 없습니다. 같은4C라도1초 동안 통과했다면 평균4A,4초 동안 통과했다면 평균1A입니다. 총량이 같아도 걸린 시간이 다르면 시간당 양은 달라집니다. 도선 한 단면을 정하고 그곳을 통과한 양을 시간으로 나누는 것이 전류의 정의입니다.[S2]
전류가 크다는 말은 한 단면을 지나는 전하의 시간당 양이 크다는 말입니다. 전하 하나가 갖는 에너지 차이가 크다는 뜻은 아닙니다. 반대로 전압이 크다는 말만으로 단면을 통과하는 양을 정할 수도 없습니다. 전압과 전류를 동시에 말하는 이유는 두 양이 회로의 서로 다른 모습을 설명하기 때문입니다. 숫자 뒤에 V가 붙었는지 A가 붙었는지만 보아도 무엇을 비교하는지 달라집니다.
같은 전압에서도 전류는 달라집니다
전압과 전류를 연결하는 익숙한 관계가 옴의 법칙입니다. 전압 V, 전류 I, 저항 R에 대해 V=IR, 또는 I=V/R로 씁니다. 여기서 전압은 저항 양끝의 전위차, 전류는 그 저항을 지나는 전류입니다. 서로 다른 부품의 전압과 전류를 아무렇게나 가져와 한 식에 넣으면 안 됩니다.[S3]
6V 전원에 3Ω 저항 하나를 연결했다고 합시다. 도선의 저항과 전원의 내부저항은 무시하고 저항값은 일정하다고 둡니다. 그러면 I=6÷3=2A입니다. 전원은 그대로 두고 저항을 6Ω으로 바꾸면 I=6÷6=1A입니다. 전압이 같아도 전류는 절반이 됩니다. 반대로 3Ω 저항을 유지하면서 전압을 3V로 낮추면 I=3÷3=1A입니다. 어느 양을 고정했는지에 따라 비교가 달라집니다.
이 관계를 모든 소자에 똑같이 적용하지는 않습니다. 전류와 전압이 비례하는 옴성 소자에서는 일정한 저항을 놓고 위 계산을 할 수 있습니다. 온도가 달라져 저항이 바뀌거나 전압–전류 관계가 직선이 아닌 소자에서는 처음의 저항값 하나로 모든 조건을 설명할 수 없습니다. 옴의 법칙은 계산에 유용하지만 모든 물질이 언제나 같은 비례를 따른다는 보장은 아닙니다.[S3]
예제의 숫자는 연결 조건을 비교하기 위한 가정입니다. 실제 전지에 저항을 연결해 시험하라는 안내는 아닙니다. 회로의 전압과 전류를 이해하는 것과, 발열·부품 정격·접촉 상태를 포함해 안전한 회로를 만드는 것은 별개의 일입니다.
직렬과 병렬은 연결된 지점을 봅니다
이제 3Ω 저항을 두 개 놓고 같은 6V 전원에 연결해 봅시다. 두 저항을 한 경로에 차례로 놓으면 직렬입니다. 분기점이 없으므로 같은 전류가 두 저항을 지납니다. 합성저항은 3+3=6Ω이고, 전류는 6÷6=1A입니다. 각 저항의 전위차는 1×3=3V이므로 두 전위차를 더하면 전원의 6V가 됩니다.[S4]
병렬에서는 저항 하나의 양끝과 다른 저항의 양끝이 각각 같은 두 노드에 연결됩니다. 노드는 저항을 무시할 수 있는 도선으로 이어진 같은 전위의 연결 지점입니다. 두 가지가 같은 출발점과 같은 도착점을 공유하므로 각 저항 양끝의 전압은 모두 6V입니다. 각 가지 전류는 6÷3=2A이고, 분기 전 전원의 총전류는 2+2=4A입니다.[S4]
| 같은 6V 전원과 3Ω 저항 두 개 | 직렬 | 병렬 |
|---|---|---|
| 연결 | 한 경로에 차례로 | 같은 두 노드 사이 두 가지 |
| 각 저항 전류 | 1A | 2A |
| 각 저항 전압 | 3V | 6V |
| 전원에서 나오는 총전류 | 1A | 4A |
직렬은 무조건 전압이 반씩 나뉜다고 외우면 안 됩니다. 이 예에서 반씩 나뉜 이유는 저항값이 같기 때문입니다. 직렬에서는 전류가 같고 각 전압은 그 전류와 각 저항의 곱입니다. 병렬도 무조건 전류가 반씩 나뉘는 것은 아닙니다. 저항값이 다르면 같은 전압을 받더라도 각 가지의 전류는 달라집니다. 먼저 같게 유지되는 양을 정하면 외운 분배 규칙에 덜 의존할 수 있습니다.
회로도에서 저항 두 개가 나란히 그려져 있다는 이유만으로 병렬이라고 판단하지 마세요. 각 끝이 실제로 어느 노드에 연결되는지가 중요합니다. 선이 휘어 있거나 부품의 위치가 바뀌어도 연결 지점이 같으면 같은 회로입니다. 그림을 읽을 때에는 부품 모양보다 전하가 갈 수 있는 경로를 따라가면 됩니다.
전류가 줄었다고 전하가 사라지는 것은 아닙니다
직렬 저항 앞에는 전류가 많고 뒤에는 적을 것 같지만, 정상상태의 한 경로에서는 그렇지 않습니다. 어느 지점을 통과한 전하가 다음 지점에서 계속 사라진다면 회로 어딘가에 전하가 쌓이거나 없어져야 합니다. 정상상태 직렬 회로에서는 같은 시간당 전하량이 이어서 통과합니다. 저항은 전하를 먹어 치우는 장치가 아닙니다.[S2][S4]
저항 양끝에서 줄어드는 것은 전하량이 아니라 전기적 위치에너지입니다. 이 에너지가 저항에 전달되는 동안에도 전하는 회로를 이어 지나갑니다. 전원이 전하를 이동시키며 에너지를 공급하고, 저항에서 에너지가 전달되는 과정과 전하의 흐름을 구별하면 ‘전기를 쓴다’는 표현 때문에 생기는 혼동을 줄일 수 있습니다.[S1][S4]
병렬에서도 분기점에 들어오는 총전류는 나가는 가지 전류들의 합입니다. 위 예에서는 4A가 두 가지의 2A와 2A로 나뉘고, 다시 합류한 뒤 총전류가 이어집니다. 가지 하나에서 전류가 작다는 사실은 전체 전하가 소실됐다는 뜻이 아닙니다. 어느 지점의 전류를 보고 있는지가 달라진 것입니다.
전압은 두 점 사이를, 전류는 한 단면과 시간을 봅니다. 저항 회로를 만나면 먼저 전압을 비교하는 두 지점과 전류가 지나는 경로를 정해 보세요. 그런 다음 일정한 저항으로 계산할 수 있는 조건인지 살피면, 같은 숫자라도 무엇을 뜻하는지 분명해집니다.
