전기/회로 공식

전파교실의 전기 이야기에는 아래 같은 짧은 식이 자주 나옵니다.

\[V = I R, \qquad P = V I, \qquad P = I^2 R\]

앞의 두 식은 전자기파 편의 '전기 단위 한눈에 정리'에, 마지막 식은 CCTV 편에서 랜선이 열로 잃는 전력을 계산할 때 나옵니다.

이 편의 구성 — ①~⑥은 직류 회로의 기본(전압·전류·저항·전력·요금·안전)이고, ⑦은 축전기·코일·교류까지 포함한 회로 공식 모음표, ⑧은 그 공식이 왜 그렇게 되는지(사인파·미분으로 유도)입니다. 축전기·코일의 원리와 쓰임은 축전기·코일과 교류의 만남 편에서 먼저 읽으면 ⑦·⑧이 쉬워집니다.

글자는 세 개뿐입니다. V는 전압, I는 전류, R은 저항입니다. 곱하기와 나누기만 할 줄 알면 모두 읽을 수 있습니다.

① 전압·전류·저항 — 물 흐름으로 생각하기

전기는 눈에 보이지 않으니, 물이 흐르는 관으로 바꾸어 생각하면 쉽습니다. 저항이 왜 생기는지, 전자기기에서 왜 필요한지는 전류 흐름 제어(저항) 편에서 설명합니다.

물의 흐름 ← 좁은 관 = 저항 높이 차 = 전압 흐르는 물의 양 = 전류 (건전지 = 물을 다시 올리는 펌프) 전기의 흐름 + − 건전지 = 전압 V 전류 I 저항 R
물과 전기 견주어 보기
전기기호단위물에 비유하면
전압\(V\)볼트(V)물을 미는 높이 차(수압)
전류\(I\)암페어(A)1초 동안 지나가는 물의 양
저항\(R\)옴(Ω)관이 좁고 길어서 흐름을 막는 정도

전압을 더 정확히 말하면 전하 1 C(쿨롱)가 옮겨 갈 때 주고받는 에너지입니다(1 V = 1 J/C). 이 이야기는 에너지란 무엇일까?와 전기발생 원리 편에 자세히 있습니다.

전류의 기호가 C가 아니라 \(I\)인 것은 '전류의 세기'(프랑스어 intensité)에서 왔기 때문입니다. 작은 전류는 mA(밀리암페어, 1000분의 1 A), 큰 저항은 kΩ(킬로옴, 1000 Ω)으로 씁니다(큰 수·작은 수와 단위 편).

② 옴의 법칙 \(V = IR\) — 가리고 읽는 삼각형

물통을 더 높이 올리면(전압 ↑) 물이 더 많이 흐릅니다(전류 ↑). 관이 좁아지면(저항 ↑) 물이 덜 흐릅니다(전류 ↓). 이 관계를 식으로 쓴 것이 옴의 법칙입니다.

\[V = I \times R \qquad\Longleftrightarrow\qquad I = \frac{V}{R} \qquad\Longleftrightarrow\qquad R = \frac{V}{I}\]

세 식은 같은 식을 모양만 바꾼 것입니다. 외우기 어렵다면 아래 삼각형에서 구하고 싶은 글자를 손가락으로 가려 보세요. 남은 두 글자가 옆에 나란히 있으면 곱하고, 위아래에 있으면 나눕니다.

V I × R

버튼을 눌러 글자 하나를 가려 보세요.

  • V를 가리면 I와 R이 나란히 → \(V = I \times R\)
  • I를 가리면 V가 R 위에 → \(I = V \div R\)
  • R을 가리면 V가 I 위에 → \(R = V \div I\)

🧮 계산 예시 — 손전등 전구에 흐르는 전류

상황: 1.5 V 건전지 2개를 이어 3 V를 만들고, 저항이 10 Ω인 꼬마전구를 켭니다. 전류는 얼마일까요?

  1. 구하는 것은 전류 \(I\) → 삼각형에서 I를 가리면 \(I = V \div R\)입니다.
  2. \(I = 3\ \text{V} \div 10\ \Omega = 0.3\ \text{A}\) → 1초에 0.3 C의 전하가 전구를 지나간다는 뜻입니다.
  3. 저항이 2배인 20 Ω 전구로 바꾸면 \(I = 3 \div 20 = 0.15\ \text{A}\) → 전류는 절반이 됩니다.
  4. 단위 주의: 5 V에 1 kΩ 저항이면 \(I = 5 \div 1{,}000 = 0.005\ \text{A} = 5\ \text{mA}\) → kΩ은 먼저 Ω으로 바꿔 계산합니다.

📐 수학 도움말: 전압이 같을 때 저항이 2배면 전류는 \(\tfrac{1}{2}\)배입니다. 이런 관계를 반비례라고 합니다(분수·비율·비례 편).

👉 정리: 전압은 전류를 늘리고, 저항은 전류를 줄입니다. 셋 중 둘을 알면 나머지 하나는 삼각형으로 바로 구할 수 있습니다.

③ 전력 \(P = VI\) — 1초 동안 쓰는 에너지

전력(\(P\), 단위 와트 W)은 전기가 1초 동안 하는 일의 양입니다(1 W = 1 J/s). "높이 차(전압) × 흐르는 양(전류)"이 클수록 물레방아가 힘차게 돌듯, 전력은 전압과 전류의 곱입니다.

\[P = V \times I\]

예를 들어 휴대폰 충전기가 5 V로 2 A를 보내면 \(5 \times 2 = 10\ \text{W}\)입니다(에너지란 무엇일까? 편의 예).

여기에 옴의 법칙을 끼워 넣으면 식이 두 개 더 생깁니다. 새로운 법칙이 아니라 바꿔 쓴 것뿐입니다.

\[P = V I = (I R)\, I = I^2 R \qquad\qquad P = V I = V \cdot \frac{V}{R} = \frac{V^2}{R}\]
  • 전류를 알 때는 \(P = I^2 R\) — 전선처럼 같은 전류가 지나가는 곳의 열을 잴 때 씁니다.
  • 전압을 알 때는 \(P = \dfrac{V^2}{R}\) — 220 V 콘센트처럼 전압이 정해진 기기에 씁니다.

전선이 뜨거워지는 이유도 \(I^2 R\)입니다. 전선의 저항은 아주 작지만 0은 아니어서, 전류가 지나가면 \(I^2 R\)만큼 열이 납니다. 전류가 2배면 열은 \(2^2 = 4\)배입니다(거듭제곱과 제곱근 편). 같은 전력을 낮은 전압으로 보내면 전류가 커져 손실이 확 늘어납니다. 랜선 전원(PoE)을 44 V 대신 12 V로 보내면 선 손실이 약 13배가 된다는 계산이 CCTV 편에 있습니다.

🧮 계산 예시 — 220 V, 1,100 W 전기 주전자

상황: 전기 주전자 바닥에 "220 V, 1,100 W"라고 적혀 있습니다. 전류와 저항은 얼마일까요?

  1. 전류: \(I = P \div V = 1{,}100 \div 220 = 5\ \text{A}\) → \(P = VI\)를 \(I\)에 대해 바꿔 썼습니다.
  2. 저항: \(R = V \div I = 220 \div 5 = 44\ \Omega\) → 주전자 속 열선의 저항입니다.
  3. 검산: \(P = \dfrac{V^2}{R} = \dfrac{220 \times 220}{44} = \dfrac{48{,}400}{44} = 1{,}100\ \text{W}\) → 처음 값과 같습니다.

📐 수학 도움말: \(V^2\)은 \(V \times V\)입니다. 세 식 \(VI\), \(I^2R\), \(V^2/R\)은 언제나 같은 답을 내므로, 하나로 구하고 다른 하나로 검산할 수 있습니다.

👉 정리: 기기에 적힌 전압과 전력만 알면 전류와 저항을 모두 구할 수 있습니다.

💡 콘센트의 220 V는 사실 약 +311 V와 −311 V 사이를 오르내리는 교류이고, 220 V는 같은 열을 내는 직류로 바꾼 '실효값'입니다. 그래서 이 페이지의 계산에는 220 V를 그대로 쓰면 됩니다(직류와 교류의 차이 편).

더 알아보기 — 최댓값 311 V로 계산하면?

사인파의 최댓값을 \(A\)라 하면 저항이 내는 평균 전력은 \(P = \dfrac{A^2}{2R}\)입니다(AM 진폭변조 편에서 쓰는 식). \(A = 220 \times \sqrt{2} \approx 311\ \text{V}\)를 넣으면

\[P = \frac{(220\sqrt{2})^2}{2 \times 44} = \frac{220^2 \times 2}{2 \times 44} = \frac{220^2}{44} = 1{,}100\ \text{W}\]

실효값 220 V로 \(V^2/R\)을 계산한 것과 똑같습니다. 실효값은 이렇게 "직류 식을 그대로 쓰게 해 주는 값"입니다.

④ 직렬과 병렬 — 한 줄로? 나란히?

전구나 저항을 잇는 방법은 두 가지입니다. 한 줄로 줄줄이 잇는 직렬, 여러 갈래로 나란히 잇는 병렬입니다.

  • 직렬 — 좁은 관을 하나 더 이어 붙인 것과 같습니다. 길이 길어지니 막힘이 커집니다. 전체 저항은 더합니다: \(R = R_1 + R_2\). (\(R_1\), \(R_2\)의 작은 숫자는 '첫째, 둘째'라는 이름표입니다.)
  • 병렬 — 관을 옆에 하나 더 놓은 것과 같습니다. 길이 두 개라 물이 더 잘 흐릅니다. 전체 저항은 작아집니다. 같은 저항 2개면 절반입니다.
10 Ω 저항 2개, 1.5 V 건전지 2개로 견주어 보기
직렬(한 줄로)병렬(나란히)
전체 저항10 + 10 = 20 Ω10 ÷ 2 = 5 Ω
같은 것모든 저항에 같은 전류모든 저항에 같은 전압
건전지 2개전압이 더해져 3 V전압은 1.5 V 그대로, 대신 더 오래감
하나가 끊기면모두 꺼짐나머지는 그대로 켜짐

리모컨에 건전지를 줄줄이 넣는 것은 직렬로 전압을 높이는 것입니다(전기발생 원리 편의 1.5 V + 1.5 V = 3 V). 집의 콘센트와 멀티탭은 병렬입니다. 그래서 어느 구멍에 꽂아도 220 V가 그대로 걸리고, 꽂은 기기들의 전류는 더해집니다.

더 알아보기 — 다른 저항끼리 병렬로 이으면

병렬에서는 전류가 더해지므로 역수(1을 그 수로 나눈 값)를 더합니다.

\[\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \qquad \text{예: } \frac{1}{R} = \frac{1}{10} + \frac{1}{10} = \frac{2}{10} \;\Rightarrow\; R = 5\ \Omega\]

두 개일 때는 \(R = \dfrac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}\)로 써도 됩니다. 10 Ω과 40 Ω이면 \(\dfrac{400}{50} = 8\ \Omega\)으로, 늘 작은 쪽(10 Ω)보다도 작습니다.

🧮 계산 예시 — 멀티탭 하나에 몇 W까지?

상황: 멀티탭에 "16 A"라고 적혀 있습니다. 겨울에 전기난로 2,000 W, 헤어드라이어 1,500 W, 전기 주전자 1,100 W를 한꺼번에 꽂았습니다.

  1. 멀티탭이 견디는 전력: \(P = V \times I = 220 \times 16 = 3{,}520\ \text{W}\) → 약 3,500 W까지입니다.
  2. 꽂은 기기의 합: \(2{,}000 + 1{,}500 + 1{,}100 = 4{,}600\ \text{W}\) → 병렬이라 전력(과 전류)이 더해집니다.
  3. 흐르는 전류: \(I = 4{,}600 \div 220 \approx 20.9\ \text{A}\) → 16 A를 훌쩍 넘는 과부하입니다.

📐 수학 도움말: 전류가 16 A에서 약 21 A로 1.3배쯤 늘면 멀티탭 전선의 열(\(I^2 R\))은 \(1.3^2 \approx 1.7\)배로 늘어납니다.

👉 정리: 멀티탭에 적힌 A에 220을 곱하면 쓸 수 있는 W가 나옵니다. 열을 내는 기기(난로, 드라이어, 주전자)는 한 멀티탭에 몰아 꽂지 마세요.

👉 전압과 저항을 바꾸고, 전구를 직렬·병렬로 이어 밝기를 비교해 보세요!

전구 잇는 방법

초록 점 = 전류의 흐름(+에서 나와 −로 들어감. 실제 전자는 반대로 움직입니다 — 전기와 자기의 관계 편). 전구의 저항은 밝기와 상관없이 일정하다고 가정했습니다.

⑤ 전기 에너지와 요금 — 전력 × 시간

전력(W)은 "1초에 얼마나 빨리 쓰나"입니다. 실제로 쓴 양은 여기에 쓴 시간을 곱해야 나옵니다.

\[\text{에너지} = \text{전력} \times \text{시간} \qquad 1\ \text{kWh} = 1{,}000\ \text{W} \times 1\ \text{h}\]

W에 시간(h, hour)을 곱하면 단위는 Wh(와트시), 1,000 Wh는 kWh(킬로와트시)입니다. 전기 요금 고지서가 쓰는 단위가 kWh입니다. 1 kWh를 줄로 바꾸면 3,600,000 J입니다(에너지란 무엇일까? 편).

  • 전자레인지 1,000 W를 6분(0.1 h) → \(1{,}000 \times 0.1 = 100\ \text{Wh} = 0.1\ \text{kWh}\)
  • 휴대폰 충전기 10 W로 2시간 → \(10 \times 2 = 20\ \text{Wh} = 0.02\ \text{kWh}\)
  • 에어컨 1,500 W로 8시간 → \(1{,}500 \times 8 = 12{,}000\ \text{Wh} = 12\ \text{kWh}\)

전력이 큰 기기를 오래 쓸수록 요금이 많이 나옵니다. 충전기는 전력이 작아서 매일 써도 요금이 아주 적습니다.

🧮 계산 예시 — 여름 한 달 에어컨 전기 요금

상황: 평균 1,500 W를 쓰는 에어컨을 하루 8시간씩 30일 켰습니다. 1 kWh당 약 120원이라고 가정해 봅시다.

  1. W를 kW로: \(1{,}500\ \text{W} = 1.5\ \text{kW}\) → 1,000으로 나눴습니다.
  2. 하루: \(1.5\ \text{kW} \times 8\ \text{h} = 12\ \text{kWh}\)
  3. 한 달: \(12 \times 30 = 360\ \text{kWh}\)
  4. 요금: \(360 \times 120 = 43{,}200\)원 → 가정한 단가로 어림한 값입니다.

📐 수학 도움말: 곱하는 순서는 바꿔도 됩니다. \(1.5 \times 8 \times 30 \times 120\)을 한꺼번에 계산해도 43,200이 나옵니다.

👉 정리: 요금 ≈ 전력(kW) × 하루 시간(h) × 날수 × 1 kWh당 단가. 실제 요금은 기본요금, 사용량에 따라 단가가 올라가는 누진 구간, 세금 등이 더해져 달라집니다.

👉 집에 있는 기기의 전기 요금을 어림해 보세요!

기기 바닥이나 뒷면 라벨의 '소비전력'을 넣어 보세요. 단가 120원은 계산을 위한 가정이며, 실제 요금표는 한국전력 전기요금표에서 확인할 수 있습니다.

⑥ 전기 안전 — 위험한 것은 몸을 지나는 전류

우리 몸도 전기가 흐르는 저항입니다. 그래서 몸에 흐르는 전류도 옴의 법칙 \(I = V \div R\)을 따릅니다. 몸을 다치게 하는 것은 전압 자체보다 몸을 지나는 전류입니다(전자기파 편).

피부가 젖으면 저항이 크게 낮아집니다. 저항이 작아지면 같은 220 V에서도 전류가 커집니다. 아래 값은 사람·닿는 넓이·경로에 따라 크게 달라지는 대략적인 값입니다.

220 V에 닿았을 때 몸에 흐르는 전류(대략, \(I = V \div R\))
몸 상태몸의 저항(대략)전류느낌·위험(대략)
마른 피부약 200 kΩ (20만 Ω)\(220 \div 200{,}000 \approx 1.1\ \text{mA}\)찌릿하게 느끼는 정도
흠뻑 젖은 피부약 10 kΩ (1만 Ω)\(220 \div 10{,}000 = 22\ \text{mA}\)근육이 굳어 손을 떼기 어려울 수 있음(약 10 mA 이상)

저항이 20분의 1이 되니 전류는 20배가 됩니다. 수십 ~ 100 mA 안팎의 전류가 심장을 지나면 생명이 위험할 수 있습니다. 반면 1.5 V 건전지는 젖은 손이라도 \(1.5 \div 10{,}000 = 0.15\ \text{mA}\) 정도라 거의 느끼지 못합니다.

  • 젖은 손으로 플러그나 스위치를 만지지 않습니다.
  • 멀티탭에 적힌 전류(A) × 220을 넘게 꽂지 않습니다(④의 계산).
  • 사람을 지키는 누전차단기는 보통 30 mA 정도의 새는 전류를 느끼면 아주 짧은 시간 안에 전기를 끊습니다.
  • 전기 화재의 원인(과부하, 접촉 불량, 단락)과 차단기·누전차단기의 동작은 전류 흐름 제어(저항) 편 ⑤에서 시뮬레이션으로 볼 수 있습니다.

⑦ 회로 공식 한눈에 보기 — 축전기·코일·교류까지

①~⑥에서 배운 \(V = IR\), \(P = VI\)에 축전기(C)와 코일(L), 그리고 교류에서 쓰는 공식을 더하면 전파교실의 회로 이야기는 거의 다 읽을 수 있습니다. 아래 표는 공식을 하나의 표에 모으고, 무슨 뜻인지·언제 쓰는지·주의할 점을 한 줄씩 덧붙였습니다. 공식이 왜 그렇게 되는지는 바로 아래 ⑧에서 풀어 보고, 축전기·코일의 원리·쓰임·시뮬레이션은 축전기·코일과 교류의 만남 편에서 볼 수 있습니다.

먼저 기호와 단위부터

회로 공식에 나오는 글자
기호뜻단위자주 쓰는 크기
\(V\)전압볼트(V)건전지 1.5 V, 콘센트 220 V
\(I\)전류암페어(A)mA(1000분의 1 A)
\(R\)저항옴(Ω)Ω, kΩ
\(P\)전력와트(W)mW, W, kW
\(Q\)전하(전기의 양)쿨롱(C)nC, μC
\(C\)전기용량(축전기)패럿(F)pF, nF, μF
\(L\)인덕턴스(코일)헨리(H)nH, μH, mH
\(f\)주파수헤르츠(Hz)kHz, MHz, GHz
\(X,\ Z\)리액턴스, 임피던스옴(Ω)Ω ~ kΩ

접두어(μ, n, p, k, M)는 큰 수·작은 수와 단위 편에서 익힙니다. 1 F은 매우 큰 값이라 실제 부품은 대부분 μF 이하이고, 라디오 회로에서는 pF(\(10^{-12}\) F) 수준이 흔합니다.

회로 공식 모음과 부연 설명
대상공식읽는 법부연 설명
① 저항(직류) — 이 편 ①~⑥
옴의 법칙\(V = IR\)전압 = 전류 × 저항같은 전압에서 저항이 클수록 전류가 작아집니다. 세 값 중 둘을 알면 나머지를 구합니다.
전력\(P = VI = I^2R = \dfrac{V^2}{R}\)1초 동안 쓰는 에너지전선처럼 전류가 같을 때는 \(I^2R\), 콘센트처럼 전압이 같을 때는 \(V^2/R\)이 편합니다.
저항 합치기직렬 \(R = R_1 + R_2\)
병렬 \(\dfrac{1}{R} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}\)
직렬은 더하고, 병렬은 역수끼리 더함병렬은 전류가 지나갈 길이 늘어나므로 합친 저항이 가장 작은 저항보다도 작아집니다.
② 축전기 C — 전기를 모으는 부품
전하\(Q = CV\)저장한 전하 = 전기용량 × 전압같은 전압에서 C가 클수록 더 많이 모읍니다. 1 F은 1 V에 1 C를 모으는 크기입니다.
저장 에너지\(E_C = \tfrac{1}{2}CV^2\)전기장에 저장된 에너지(J)\(\tfrac12\)이 붙는 까닭은 충전하는 동안 전압이 0에서 \(V\)까지 서서히 올라 평균 전압이 \(V/2\)이기 때문입니다. 전압이 2배면 에너지는 4배입니다.
전류\(I = C\,\dfrac{dV}{dt}\)전압이 빨리 변할수록 전류가 많이 흐름\(\dfrac{dV}{dt}\)는 '1초에 전압이 얼마나 변하는가'(변화율)입니다. 직류(변하지 않음)에서는 \(I = 0\)이라 길이 막힙니다(미분과 적분).
합치기병렬 \(C = C_1 + C_2\)
직렬 \(\dfrac{1}{C} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2}\)
저항과 반대로, 병렬이 더하기병렬은 판 넓이가 늘어나는 셈이라 C가 커지고, 직렬은 판 사이 간격이 늘어나는 셈이라 C가 작아집니다.
③ 코일 L — 전류에 관성이 있는 부품
전압\(V = L\,\dfrac{dI}{dt}\)전류가 빨리 변할수록 큰 전압이 생김코일은 전류가 변할 때만 전압을 만들고, 변하지 않는 직류에서는 그냥 전선입니다. 1 H은 전류가 1초에 1 A씩 변할 때 1 V가 생기는 크기입니다.
저장 에너지\(E_L = \tfrac{1}{2}LI^2\)자기장에 저장된 에너지(J)축전기의 \(\tfrac12CV^2\)와 같은 꼴입니다. 전류가 2배면 에너지는 4배입니다.
합치기직렬 \(L = L_1 + L_2\)
병렬 \(\dfrac{1}{L} = \dfrac{1}{L_1} + \dfrac{1}{L_2}\)
저항과 같은 모양두 코일의 자기장이 서로 겹치지 않을 때의 식입니다. 가까이 놓으면 서로 영향을 줍니다.
④ 교류와 리액턴스
각주파수\(\omega = 2\pi f\)1초에 도는 각도(rad/s)한 바퀴가 \(2\pi\) 라디안이라 \(f\)번 돌면 \(2\pi f\)입니다(삼각함수와 파동).
코일의 리액턴스\(X_L = \omega L = 2\pi f L\)주파수에 비례주파수가 높을수록 전류가 빨리 변해 코일이 더 세게 막습니다. 직류(\(f = 0\))에서는 0입니다.
축전기의 리액턴스\(X_C = \dfrac{1}{\omega C} = \dfrac{1}{2\pi f C}\)주파수에 반비례주파수가 높을수록 전하가 빨리 드나들어 잘 통과합니다. 직류에서는 무한대(막힘)입니다.
임피던스\(Z = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}\)교류가 느끼는 전체 방해저항과 리액턴스는 위상이 90° 어긋나 그냥 더할 수 없어 직각삼각형의 빗변으로 합칩니다. \(V = IZ\)로 쓰면 옴의 법칙이 교류에서도 성립합니다.
⑤ 공진과 시간
공진 주파수\(f_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\)\(X_L = X_C\)가 되는 주파수L이나 C를 줄이면 \(f_0\)가 높아집니다. L을 4배로 하면 \(f_0\)는 절반이 됩니다(제곱근).
시간 상수RC \(\tau = RC\)
RL \(\tau = L/R\)
충전·방전이 약 63 % 진행되는 시간\(\tau\)의 3배면 약 95 %, 5배면 약 99 %입니다. 단위를 \(\Omega \times \text{F} = \text{s}\)로 맞추어 계산합니다.
파동\(c = f\lambda\)빛의 속력 = 주파수 × 파장\(c \approx 3\times10^8\) m/s. 예: 94.5 MHz FM은 \(\lambda = 3\times10^8 \div 9.45\times10^7 \approx 3.2\) m입니다.

공식을 읽는 요령

  • 단위가 맞는지 먼저 봅니다. μH, pF, MHz가 섞여 있으면 모두 H, F, Hz로 바꾼 뒤 계산합니다. 예: \(253\ \text{pF} = 2.53\times10^{-10}\ \text{F}\).
  • 비례·반비례로 읽습니다. \(X_L \propto f\), \(X_C \propto 1/f\), \(f_0 \propto 1/\sqrt{LC}\)처럼 "무엇이 커지면 무엇이 커지나"를 먼저 짚으면 숫자를 넣기 전에 결과를 예상할 수 있습니다.
  • 쌍둥이 꼴을 찾습니다. 저항·전력 \(P = VI\)와 에너지 \(\tfrac12CV^2\), \(\tfrac12LI^2\), 합치기 규칙(저항↔코일, 축전기는 반대)이 서로 닮았습니다.
  • 미분은 "변하는 빠르기"로 읽습니다. \(dV/dt\), \(dI/dt\)는 값이 아니라 변화의 빠르기이므로, 값이 일정한 직류에서는 0입니다.

🧮 계산 예시 — 표의 공식 세 개로 AM 라디오 수신 회로 읽기

상황: \(L = 100\ \mu\text{H}\) 코일과 \(C = 253\ \text{pF}\) 축전기를 이은 회로에 1 MHz 신호가 들어옵니다.

  1. 단위 바꾸기: \(L = 10^{-4}\ \text{H}\), \(C = 2.53\times10^{-10}\ \text{F}\), \(f = 10^6\ \text{Hz}\)
  2. 코일: \(X_L = 2\pi f L = 6.28\times10^6 \times 10^{-4} \approx 628\ \Omega\)
  3. 축전기: \(X_C = \dfrac{1}{2\pi f C} = \dfrac{1}{6.28\times10^6 \times 2.53\times10^{-10}} \approx 629\ \Omega\)
  4. \(X_L \approx X_C\)이므로 공진입니다. \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi\sqrt{10^{-4} \times 2.53\times10^{-10}}} \approx 1.0\ \text{MHz}\)로 같은 값이 나옵니다.
  5. 충전 시간 상수 예: 저항 10 kΩ을 연결하면 \(\tau = RC = 10^4 \times 2.53\times10^{-10} \approx 2.5\ \mu\text{s}\)입니다.

여기까지의 공식이 왜 그렇게 되는지(사인파를 미분해 \(X_L\), \(X_C\)를 얻는 과정, 위상 90°, 임피던스, 공진, Q)는 바로 아래 ⑧에서 이어서 설명합니다.

⑧ 교류 회로의 공식 — 리액턴스·임피던스·공진은 어디서 나왔을까?

축전기·코일과 교류의 만남 편에서는 "코일은 빠른 교류를 막고 축전기는 잘 통과시킨다"는 성질과 쓰임을 설명했습니다. 이 절에서는 그 성질이 위 ⑦의 공식으로 어떻게 나오는지 수학으로 확인합니다. 필요한 도구는 두 가지입니다.

  • 삼각함수와 파동 — 교류는 사인파 \(\sin\omega t\)이고, 사인을 \(\tfrac14\)주기(90°) 밀면 코사인이 됩니다.
  • 미분과 적분 — 사인의 변화율(미분)은 코사인입니다. \(I = C\,dV/dt\), \(V = L\,dI/dt\)에 그대로 넣습니다.

처음에는 건너뛰고 ⑦의 표만 사용해도 괜찮습니다. 궁금해질 때 돌아와 읽어 보세요.

코일의 리액턴스 \(X_L = 2\pi f L\)

전류가 사인파 \(I = I_0 \sin\omega t\)로 흐른다고 하겠습니다. 코일 양끝의 전압은 \(V = L\,\dfrac{dI}{dt}\)이고, 사인의 변화율은 코사인이므로

\[V = L\,\frac{d}{dt}\bigl(I_0\sin\omega t\bigr) = \omega L\, I_0 \cos\omega t\]

전압의 최댓값은 \(V_0 = \omega L\,I_0\)입니다. \(V_0 = X\,I_0\) 꼴로 보면 비례 상수가 곧 리액턴스입니다.

\[X_L = \omega L = 2\pi f L\]

\(f\)가 클수록 전류가 더 빨리 변하므로 코일은 더 세게 막습니다. 직류(\(f = 0\))에서는 \(X_L = 0\)이라 그냥 전선입니다. 또한 코사인은 사인보다 \(\tfrac14\) 주기(90°) 앞서므로 코일에서는 전압이 전류보다 90° 앞섭니다(전류가 90° 늦음).

축전기의 리액턴스 \(X_C = \dfrac{1}{2\pi f C}\)

이번에는 전압을 \(V = V_0 \sin\omega t\)로 두면, \(Q = CV\)이고 전류는 전하의 변화율이므로

\[I = C\,\frac{dV}{dt} = \omega C\, V_0 \cos\omega t \quad\Rightarrow\quad I_0 = \omega C\, V_0\]

\(V_0 = X\,I_0\)로 정리하면 \(X = \dfrac{V_0}{I_0} = \dfrac{1}{\omega C}\)입니다.

\[X_C = \frac{1}{\omega C} = \frac{1}{2\pi f C}\]

\(f\)가 클수록 전하가 빨리 드나들어 전류가 잘 흐르므로 방해가 작아집니다. 직류(\(f \to 0\))에서는 \(X_C \to \infty\)로 길이 막힙니다. 이번에는 전류가 전압보다 90° 앞서므로 축전기에서는 전류가 전압보다 90° 앞섭니다.

위상을 외우는 말: "ELI the ICE man"

코일(L)에서는 전압(E) 다음에 전류(I)가 오고(E-L-I: 전압이 앞섬), 축전기(C)에서는 전류(I) 다음에 전압(E)이 옵니다(I-C-E: 전류가 앞섬). "전압이 앞서면 코일, 전류가 앞서면 축전기"입니다.

저항과 리액턴스를 합치기 — 임피던스 \(Z\)

저항은 전압과 전류가 같은 박자이고, 리액턴스는 90° 어긋나므로 그냥 더할 수 없습니다. 직각삼각형으로 합칩니다. 가로에 \(R\), 세로에 \(X = X_L - X_C\)를 놓으면 빗변이 임피던스(impedance) \(Z\)입니다.

R (저항) X (= X_L − X_C) Z (임피던스) φ
\[Z = \sqrt{R^2 + X^2} = \sqrt{R^2 + (X_L - X_C)^2}\] \[\tan\varphi = \frac{X}{R}, \qquad I_0 = \frac{V_0}{Z}\]
  • \(Z\)는 옴의 법칙의 \(R\) 자리에 들어가는 '교류용 저항'입니다. \(V = IZ\).
  • \(\varphi\)(위상각)는 전압과 전류가 어긋난 각입니다. \(X > 0\)이면 코일처럼(전압이 앞섬), \(X < 0\)이면 축전기처럼 행동합니다.
  • 코일과 축전기는 부호가 반대라 서로 상쇄합니다. 그래서 \(X_L - X_C\)입니다.

복소수를 배웠다면 한 줄로 쓸 수 있습니다. 허수 단위 \(j\)(수학의 \(i\))를 써서 \(Z_R = R,\ Z_L = j\omega L,\ Z_C = \dfrac{1}{j\omega C} = -\dfrac{j}{\omega C}\), 직렬이면 \(Z = R + j\bigl(\omega L - \tfrac{1}{\omega C}\bigr)\)이고, 크기가 \(|Z| = \sqrt{R^2 + X^2}\)입니다. 이 책에서는 복소수 없이도 읽도록 직각삼각형으로만 설명합니다.

공진 주파수와 Q — \(X_L = X_C\)인 순간

주파수를 올리면 \(X_L\)은 커지고 \(X_C\)는 작아집니다. 둘이 만나는 주파수에서 \(X_L - X_C = 0\)이 되어 \(Z = R\)로 가장 작아지고, 전류는 가장 크게 흐릅니다. 이것이 직렬 공진입니다.

\[2\pi f_0 L = \frac{1}{2\pi f_0 C} \;\Rightarrow\; (2\pi f_0)^2 = \frac{1}{LC} \;\Rightarrow\; f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\]

안테나의 전파 송신 편의 LC 발진기 공식이 바로 이 식입니다. 이어서 공진의 '날카로움'을 나타내는 값이 Q(품질 지수)입니다.

\[Q = \frac{X_L}{R}\Big|_{f_0} = \frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}, \qquad \text{대역폭 } B = \frac{f_0}{Q}\]

저항 \(R\)이 작을수록 Q가 크고, 공진 곡선이 뾰족해서 원하는 주파수만 골라냅니다(라디오 다이얼의 선택도). 반대로 병렬 LC 회로는 공진에서 임피던스가 매우 커져 그 주파수의 신호만 막는 '트랩'이 됩니다.

🧮 계산 예시 — Q와 대역폭을 숫자로 보기

상황: ⑦의 예와 같은 \(L = 100\ \mu\text{H}\), \(C = 253\ \text{pF}\) 회로에 저항 \(R = 10\ \Omega\)이 들어 있습니다.

  1. 공진 주파수 \(f_0 \approx 1.0\ \text{MHz}\)에서 \(X_L \approx 628\ \Omega\)(⑦의 계산)
  2. \(Q = X_L/R \approx 628/10 \approx 63\)
  3. 대역폭 \(B = f_0/Q \approx 1\ \text{MHz}/63 \approx 16\ \text{kHz}\)
  4. 결과: 1 MHz 근처 약 16 kHz 폭만 잘 통과합니다. 저항을 10 Ω에서 1 Ω으로 줄이면 Q가 10배(약 630), 대역폭은 약 1.6 kHz로 좁아져 더 뾰족하게 골라냅니다.

직접 값을 바꿔 보고 싶다면 축전기·코일과 교류의 만남 편의 '직렬 RLC 계산기'와 시뮬레이션을 사용해 보세요.

✏️ 스스로 풀어 보기

  1. 9 V 건전지에 3 kΩ 저항을 이었습니다. 전류는 몇 mA일까요?
    정답 보기 3 kΩ = 3,000 Ω이므로 \(I = 9 \div 3{,}000 = 0.003\ \text{A} = 3\ \text{mA}\)입니다.
  2. "220 V, 100 W" 전구에 흐르는 전류와 전구의 저항은 얼마일까요?
    정답 보기 \(I = P \div V = 100 \div 220 \approx 0.45\ \text{A}\). \(R = \dfrac{V^2}{P} = \dfrac{48{,}400}{100} = 484\ \Omega\)입니다(\(R = V \div I = 220 \div 0.4545 \approx 484\ \Omega\)으로 구해도 같습니다).
  3. 10 W LED 전등을 하루 5시간씩 30일 켰습니다. 1 kWh당 120원이라고 가정하면 요금은 얼마일까요?
    정답 보기 \(10 \times 5 \times 30 = 1{,}500\ \text{Wh} = 1.5\ \text{kWh}\), \(1.5 \times 120 = 180\)원입니다. 에어컨(43,200원)의 240분의 1입니다.
  4. 10 mH 코일에 1 kHz 교류를 흘리면 리액턴스는 얼마일까요? (⑦·⑧)
    정답 보기 \(X_L = 2\pi f L = 2\pi \times 1000 \times 0.01 \approx 62.8\ \Omega\)입니다. 주파수가 10배(10 kHz)가 되면 628 Ω이 됩니다.
  5. 100 pF 축전기의 1 MHz에서의 리액턴스는 얼마일까요?
    정답 보기 \(X_C = \dfrac{1}{2\pi \times 10^6 \times 10^{-10}} = \dfrac{1}{6.28\times10^{-4}} \approx 1{,}592\ \Omega\)입니다.
  6. 직렬 회로에 \(R = 50\ \Omega\), \(X_L = 120\ \Omega\), \(X_C = 70\ \Omega\)입니다. 임피던스와 위상각은?
    정답 보기 \(X = 120 - 70 = 50\ \Omega\), \(Z = \sqrt{50^2 + 50^2} \approx 70.7\ \Omega\), \(\tan\varphi = 50/50 = 1\)이므로 \(\varphi = 45^\circ\)(코일처럼 행동, 전압이 앞섬)입니다.
  7. \(L = 10\ \mu\text{H}\), \(C = 100\ \text{pF}\)의 공진 주파수는?
    정답 보기 \(LC = 10^{-5} \times 10^{-10} = 10^{-15}\), \(\sqrt{LC} \approx 3.16\times10^{-8}\)이므로 \(f_0 = \dfrac{1}{2\pi \times 3.16\times10^{-8}} \approx 5.03\ \text{MHz}\)입니다.
  8. 1 μF 축전기를 10 V로 충전하면 저장되는 에너지는?
    정답 보기 \(E = \tfrac{1}{2}CV^2 = 0.5 \times 10^{-6} \times 100 = 5\times10^{-5}\ \text{J} = 50\ \mu\text{J}\)입니다.

🔗 이 수학이 쓰이는 곳

  • 전기발생 원리 — 1 V = 1 J/C, 옴의 법칙(전압 = 전류 × 저항), 건전지 직렬 1.5 V + 1.5 V = 3 V
  • 에너지란 무엇일까? — 전력 = 전압 × 전류(5 V × 2 A = 10 W), 1 kWh = 3,600,000 J
  • 전자기파 — \(V = IR\), \(P = VI\), 감전 전류(전류 = 전압 ÷ 저항)
  • CCTV — PoE \(P = 44 \times 0.35 = 15.4\ \text{W}\), 선 손실 \(I^2 R\), 12 V일 때 \(I = P \div V \approx 1.28\ \text{A}\)
  • 직류와 교류의 차이 — 실효값 220 V와 최댓값 \(311 \approx 220 \times \sqrt{2}\)
  • AM 진폭변조 — 사인파 전압의 평균 전력 \(P = \dfrac{A^2}{2R}\)
  • 안테나의 전파 송신 — 저항 = 전압 ÷ 전류, 같은 단위 Ω을 쓰는 안테나의 임피던스(다이폴 약 73 Ω, 정합 50 Ω)
  • 축전기·코일과 교류의 만남 — 직류의 \(V = IR\)을 교류로 넓힌 \(V = IZ\), 코일·축전기의 리액턴스, 공진(다음 단계로 읽기 좋은 편)

핵심 정리

  • 전압 \(V\)(볼트)는 미는 힘, 전류 \(I\)(암페어)는 흐르는 양, 저항 \(R\)(옴)은 막는 정도입니다.
  • 옴의 법칙 \(V = IR\). 삼각형에서 구할 글자를 가리면 \(I = V/R\), \(R = V/I\)가 바로 보입니다.
  • 전력 \(P = VI = I^2 R = V^2/R\). 전선의 열은 \(I^2 R\)이라 전류가 2배면 4배가 됩니다.
  • 에너지 = 전력 × 시간. 1 kWh = 1,000 W × 1시간이고, 요금 ≈ kWh × 단가입니다.
  • 직렬은 저항이 더해지고 전류가 같습니다. 병렬(콘센트·멀티탭)은 전압이 같고 전류가 더해집니다.
  • ⑧에서 사인파를 미분해 \(X_L = 2\pi fL\), \(X_C = 1/(2\pi fC)\)를 직접 유도하고, 임피던스 \(Z = \sqrt{R^2 + X^2}\)와 공진·Q까지 확인합니다.
  • 축전기 \(Q = CV\), 코일 \(V = L\,dI/dt\), 리액턴스 \(X_L = 2\pi fL\), \(X_C = 1/(2\pi fC)\), 공진 \(f_0 = 1/(2\pi\sqrt{LC})\)까지 ⑦의 표에 모아 두었습니다.
  • 위험한 것은 몸을 지나는 전류입니다. 젖은 피부는 저항이 작아 같은 전압에서도 전류가 커집니다.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

자주 하는 오해

  • "전류는 전구에서 쓰여 없어진다" — 전류는 회로를 한 바퀴 돌아 그대로 돌아옵니다. 직렬 회로에서는 어디서 재도 전류가 같습니다. 전구에서 쓰이는 것은 에너지입니다.
  • "직렬로 이은 전구 중 뒤의 것이 더 어둡다" — 두 전구에 같은 전류가 흐르므로 같은 전구라면 밝기도 같습니다. 회로 실험실의 '2개 직렬'로 확인해 보세요.
  • "\(I^2R\)을 보면 저항이 클수록, \(V^2/R\)을 보면 저항이 작을수록 뜨겁다 — 어느 쪽이 맞나?" — 무엇이 고정인지에 따라 다릅니다. 전류가 같은 직렬에서는 큰 저항이, 전압이 같은 병렬(콘센트)에서는 작은 저항이 더 뜨겁습니다. 전기난로의 열선은 저항이 작아 큰 전력을 냅니다.
  • "kW와 kWh는 같은 것" — kW는 '얼마나 빨리'(속력), kWh는 '얼마나 많이'(달린 거리)에 해당합니다.
  • "V는 단위인가, 양인가?" — 식에서 기울인 \(V\)는 전압이라는 양이고, 숫자 뒤의 V(볼트)는 단위입니다. "\(V = 220\ \text{V}\)"처럼 같이 나와도 뜻이 다릅니다.
  • "전압이 흐른다" — 전압은 두 점 사이에 '걸리고', 흐르는 것은 전류입니다.

비유로 설명하기

  • 물 흐름 비유: 전압 = 높이 차, 전류 = 흐르는 물의 양, 저항 = 좁은 관, 건전지 = 물을 다시 올리는 펌프.
  • 직렬은 "좁은 다리 두 개를 차례로 건너기", 병렬은 "차선을 하나 더 열기"입니다. 차선을 열면 같은 시간에 더 많은 차가 지나갑니다.
  • 요금은 "수도꼭지를 얼마나 세게(W) × 얼마나 오래(h) 틀었나"입니다.

함께 해 볼 질문·활동

  • 집 안 기기 라벨에서 소비전력(W)을 찾아 표를 만들고, 전기요금 계산기로 한 달 kWh를 어림해 고지서의 사용량과 비교하기.
  • 멀티탭 뒷면의 "250 V 16 A" 같은 표시를 읽고 220 V에서 몇 W까지 쓸 수 있는지 계산하기.
  • 회로 실험실에서 '전구 1개 → 2개 직렬 → 2개 병렬'로 바꾸기 전에 밝기를 먼저 예상해 보고 확인하기(직렬은 전구 하나의 전력이 1/4).
  • 어른의 지도 아래 건전지·꼬마전구·집게 전선으로 직렬과 병렬 회로를 직접 만들어 보기(콘센트로는 절대 실험하지 않기).

본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.