전류 흐름 제어(저항)

직류와 교류의 차이에서 전기는 도선 속의 전자가 움직이는 것이라고 배웠습니다. 그런데 전선이 아무리 좋아도 전자는 아무 방해 없이 흐르지 못합니다. 이 방해하는 정도가 저항입니다. 저항은 전기를 낭비하는 골칫거리처럼 보이지만, 전자기기 안에서는 전류가 흐르는 양을 알맞게 조절(제어)하려고 일부러 넣는 꼭 필요한 부품이기도 합니다.

이 편은 저항이 무엇인지 → 전선 속에서 왜 생기는지 → 전자기기에서 왜 필요한지 순서로 이해하는 데 집중합니다. 숫자로 계산하는 공식(옴의 법칙, 전력)은 기초수학의 전기/회로 공식 편을 참고하세요. 이어지는 축전기·코일과 교류의 만남 편에서는 저항과 전혀 다른 방식으로 전류를 방해하는 두 부품을 다룹니다.

① 저항이란? — 전류가 흐르기 어려운 정도

전기 저항은 재료가 전류의 흐름을 방해하는 정도입니다. 저항이 클수록 전류가 흐르기 어렵고, 작을수록 쉽게 흐릅니다. 단위는 옴(Ω)이며, 이 관계를 처음 밝힌 독일 과학자 게오르크 옴의 이름에서 왔습니다. 물이 흐르는 관에 비유하면 좁고 긴 관일수록 물이 덜 흐르는 것과 같습니다(전기/회로 공식 ①).

  • 같은 전압으로 밀 때, 저항이 크면 전류가 작고 저항이 작으면 전류가 큽니다(옴의 법칙).
  • 전류가 흐르지 않아도 저항은 재료가 원래 가진 성질입니다. 전원을 꺼 두어도 전선의 저항은 그대로 있습니다.
  • 표기: 1 kΩ = 1,000 Ω, 1 MΩ = 1,000,000 Ω (큰 수·작은 수와 단위).
전기가 잘 흐르는 정도에 따른 재료의 구분
구분재료 예저항전자의 상태쓰임
도체은, 구리, 금, 알루미늄매우 작음자유롭게 움직이는 전자(자유전자)가 많음전선, 안테나
반도체실리콘, 저마늄조건에 따라 변함온도·빛·전압에 따라 움직이는 전자 수가 달라짐트랜지스터, LED, 칩
절연체고무, 유리, 플라스틱, 종이, 나무매우 큼전자가 원자에 단단히 묶여 있음전선 피복, 감전 방지

원자의 구조와 전자가 묶이는 방식은 원자의 구조와 주기율표, 전자가 움직여 전기가 되는 과정은 전기발생 원리 편에 있습니다.

② 전선 속에서는 무슨 일이 일어날까? — 전자와 원자의 충돌

금속은 제자리에 줄지어 있는 원자와 그 사이를 돌아다니는 자유전자로 이루어져 있습니다. 전원을 연결하면 전자는 전기장에 밀려 한쪽으로 가속됩니다. 그러나 가는 길에는 원자가 빽빽하게 있어서 전자는 원자와 부딪혀 방향이 흐트러지고 속도를 잃습니다. 그러면 다시 가속되고 또 부딪히기를 반복하면서, 전체적으로는 천천히 한쪽으로 흘러가는 모습이 됩니다. 이 충돌이 곧 저항의 정체입니다.

  • 충돌이 잦을수록 저항이 큽니다. 원자가 많이 흔들리거나, 불순물이 섞이거나, 재료가 전자를 잘 붙잡을수록 충돌이 늘어납니다.
  • 충돌할 때 전기 에너지가 원자의 흔들림(열)로 바뀝니다. 전선이 따뜻해지는 까닭이며, 이것을 줄열이라 합니다.
  • 전자의 실제 이동 속도는 놀랄 만큼 느립니다. 지름 1 mm 구리선에 1 A가 흐를 때 전자는 초당 약 0.1 mm쯤 흘러갑니다. 스위치를 켜자마자 전등이 켜지는 것은 전자가 빨리 달려서가 아니라 전기장(신호)이 거의 빛의 속도로 전달되기 때문입니다.

🔬 시뮬레이션 ① — 전선 속 전자와 원자

파란 점이 전자, 회색 원이 금속 원자이고, 전자가 원자에 부딪히면 주황색 원이 번쩍입니다. 재료·온도·굵기·길이를 바꾸며 저항이 어떻게 달라지는지 보세요.

이렇게 해 보세요

  1. 온도를 올려 보세요. 원자가 더 세게 흔들려 전자가 더 자주 부딪히고 저항이 커집니다. 전선이 붉게 달아오르는 것도 이 때문입니다.
  2. 굵기를 늘리면 전자가 지나갈 통로가 넓어져 저항이 작아집니다(좁은 관 비유). 같은 구리선도 가늘고 길수록 저항이 큽니다.
  3. 길이를 늘리면 충돌할 기회가 더 많아져 저항이 커집니다.
  4. 재료를 니크롬으로 바꿔 보세요. 같은 굵기·길이인데도 저항이 구리의 수십 배가 되어 충돌이 훨씬 잦아집니다. 이런 큰 저항 덕분에 전기난로와 토스터의 열선으로 쓰입니다.

저항을 정하는 네 가지

전선의 저항이 달라지는 이유
요인저항은?이유생활 속 예
재료재료마다 다름자유전자의 수와 원자가 붙잡는 정도가 다름은·구리는 작고, 니크롬은 큼
길이길수록 큼전자가 부딪힐 원자가 많아짐긴 멀티탭 연장선은 전압이 조금 떨어짐
굵기(단면적)굵을수록 작음전자가 지나갈 통로가 넓어짐에어컨 전선이 스탠드 전선보다 굵음
온도대부분의 금속은 높을수록 큼원자가 세게 흔들려 충돌이 잦아짐켠 전구 필라멘트는 꺼졌을 때보다 저항이 훨씬 큼
같은 굵기·길이일 때 재료별 저항 비교 (구리 = 1, 약 20 °C)
재료은구리금알루미늄니크롬
상대 저항약 0.951약 1.5약 1.7약 65
특징가장 낮지만 비쌈값싸고 저항 낮음 → 전선의 표준부식에 강해 작은 접점에가벼워 장거리 송전선에열을 내는 히터선

전선이 굵고 짧을수록 좋지만 굵으면 무겁고 비쌉니다. 그래서 흐르는 전류가 클수록 굵은 전선을 쓰는 식으로 타협합니다. 전선에서 열로 잃는 전력은 전류의 제곱에 비례하므로 전류를 줄이려고 송전선은 매우 높은 전압을 씁니다(거듭제곱과 제곱근, CCTV의 랜선 손실 예).

③ 전자기기에서 저항이 왜 필요할까?

전선에서는 저항이 작을수록 좋지만, 전자기기 안에는 일부러 저항을 넣는 곳이 아주 많습니다. 전기는 그냥 두면 너무 세게 흐르거나 엉뚱한 곳으로 흐르기 때문입니다. 저항은 전기를 알맞은 크기로 조절하는 밸브 역할을 합니다.

전자기기에서 저항이 하는 일
역할어떻게 하나예없으면?
전류 제한회로에 흐르는 전류를 알맞은 크기로 줄임LED 앞의 저항, 칩 보호과전류로 부품이 타 버림
전압 나누기저항 두 개를 이어 전압의 일부만 뽑아 냄배터리 잔량 측정, 센서 입력부품이 감당 못 할 전압이 걸림
열 발생전류가 저항을 지나며 일부러 열로 바뀜전기난로, 토스터, 전기밥솥, 백열전구전기로 열을 만들 수 없음
신호 크기 조절소리·신호의 세기를 정함. 가변저항으로 사용자가 직접 조절오디오 볼륨, 조광 스위치음량·밝기 조절이 안 됨
센서온도·빛·압력에 따라 저항이 변하는 소자로 상태를 알아냄온도 센서(서미스터), 조도 센서주변 변화를 전기 신호로 못 읽음
동작점 설정트랜지스터 같은 부품이 알맞게 작동하도록 기준 전압·전류를 정함증폭기, 라디오 회로신호가 일그러지거나 증폭이 안 됨
시간 조절축전기와 함께 충전 속도를 정함타이머, 지연 회로일정한 시간 간격을 만들기 어려움

전파·천문 분야에서도 저항은 중요합니다. 안테나가 받은 아주 약한 신호가 안테나와 케이블의 저항에서 일부 열로 사라지고, 저항이 있는 모든 부품은 온도에 비례하는 열잡음을 내기 때문입니다. 약한 우주 전파를 받는 수신기를 차갑게 식히는 까닭 중 하나입니다(수신기). 또 안테나의 전파 송신에서 보듯 안테나도 일종의 저항(방사 저항)처럼 전력을 받아 전파로 내보냅니다.

🔬 시뮬레이션 ② — LED에 저항이 꼭 필요한 이유

5 V 전원에 붉은 LED를 연결했습니다. LED는 전류가 조금만 커져도 금방 망가지므로 앞에 저항을 넣습니다. 저항 값을 바꿔 보고, 저항을 빼 보세요.

LED의 전압 강하는 약 2 V, 알맞은 전류는 약 10~20 mA로 가정한 값입니다(실제 부품은 데이터시트를 확인하세요).

이렇게 해 보세요

  1. 저항을 작게 하면 LED가 점점 눈부시게 밝아지다가 어느 순간 타 버립니다. 저항이 전류를 줄여 주지 못하기 때문입니다.
  2. 저항을 크게 하면 안전하지만 LED가 어두워집니다. 필요한 밝기에 맞춰 알맞은 값을 고릅니다(보통 수백 Ω).
  3. 저항 연결을 끄면 전류가 제한되지 않아 LED가 바로 망가집니다.
  4. 저항을 아주 작게 하면 저항 자신도 뜨거워지는 것을 확인하세요. 저항이 줄열로 바꾸는 전력(mW)이 표시됩니다.

④ 저항 부품의 종류

전자기기에 쓰이는 저항 부품
종류구조·특징쓰이는 곳
고정 저항(탄소 피막·금속 피막)세라믹 막대에 탄소나 금속 막을 입혀 값을 정함. 값이 변하지 않음대부분의 회로, LED 보호
권선 저항저항선을 감아 만든 저항. 큰 전력을 견딤전원 장치, 전기 히터
가변 저항(볼륨·트리머)돌리거나 밀어 저항 값을 바꿈오디오 음량, 조광기, 회로 조정
서미스터온도에 따라 저항이 크게 변함온도계, 전기장판, 배터리 온도 감지
광저항(CdS)빛이 세면 저항이 작아짐자동 점등 가로등, 조도 센서
압력·변형 센서눌리거나 늘어나면 저항이 변함저울, 터치 패드

저항 부품은 전력 한계(1/4 W, 1/2 W, 1 W 등)가 있어 그보다 많은 전력을 지나가게 하면 뜨거워지다 탑니다. 시뮬레이션 ②에서 본 대로입니다.

⑤ 저항이 달라지면 — 고장의 신호, 그리고 전기 화재와 차단기

저항이 커질 때

  • 접촉 불량, 헐거워진 플러그, 부식, 가는 전선, 먼지
  • 그 부분에서 열이 집중되어 뜨거워지고 전력이 낭비됩니다.
  • 멀티탭 플러그가 유난히 뜨거운 것이 대표적인 경고입니다.

저항이 갑자기 작아질 때

  • 피복이 벗겨져 두 전선이 닿는 단락, 절연 파괴, 물에 젖음
  • 전류가 엉뚱한 지름길로 크게 흘러 과열·스파크·화재 위험이 있습니다.
  • 가정의 차단기와 퓨즈가 이런 큰 전류를 감지해 전기를 끊습니다(아래).

부품의 저항은 멀티미터의 저항(Ω) 모드로 잽니다. 이때는 반드시 전원을 끄고, 회로에서 떼어 낸(또는 전원이 완전히 빠진) 상태로 재야 정확하고 안전합니다. 온도에 따라 값이 조금 달라질 수 있습니다.

🔥 열이 불이 되는 과정 — 전기 화재는 왜 일어날까?

전류가 저항을 지나면 전기 에너지가 열로 바뀝니다(②의 충돌). 이 열은 전류의 제곱에 비례해서, 전류가 2배가 되면 열은 4배가 됩니다 (거듭제곱과 제곱근, 전기/회로 공식 ③). 전선이 이 열을 식히지 못하면 피복이 녹고, 맞닿은 두 선이 단락되어 스파크가 튀고, 주변의 먼지나 가연물에 불이 붙습니다.

전기 화재의 대표적인 원인
원인저항·전류에서 일어나는 일흔한 예예방
과부하
(문어발 연결)
전류가 전선이 견디는 한계(허용 전류)를 넘어 전선 전체가 뜨거워짐한 멀티탭에 히터·드라이어·에어프라이어를 함께 꽂음멀티탭의 정격(A, W)을 확인하고 큰 전력 기기는 단독 콘센트에
접촉 불량
(저항 증가)
접촉 부분의 저항이 커져 그곳만 뜨거워짐(전체 전류가 정상이어도 국부 발열)헐거운 플러그, 눌리거나 꺾인 전선, 느슨한 단자플러그를 끝까지 꽂고, 헐거운 콘센트는 교체, 전선을 접거나 밟지 않기
단락
(저항이 갑자기 감소)
두 선이 맞닿아 전류가 순식간에 폭증하고 스파크가 튐피복이 벗겨진 전선, 물에 젖은 콘센트손상된 전선은 바로 교체, 물기 주의
누전·트래킹먼지·습기로 절연이 약해져 플러그 날 사이로 작은 전류가 흐르며 탄화되다 불꽃이 됨오래 꽂아 둔 플러그의 먼지, 습한 곳의 콘센트플러그 청소, 쓰지 않는 플러그는 뽑기
열이 빠지지 못함발열 부품·전선이 덮여 열이 쌓임접어서 쓰는 전기장판, 이불로 덮은 멀티탭열이 나는 기기와 전선을 덮지 않기

🏠 집 안의 안전장치 — 차단기는 어떻게 지켜 줄까?

집의 분전반(흔히 '두꺼비집')에는 위험한 전류를 감지해 스스로 전기를 끊는 차단기가 들어 있습니다. 지나치게 큰 전류가 흐르면 전선이 위험하게 뜨거워지기 전에 회로를 끊어 전선과 기기, 그리고 사람을 지킵니다.

가정에서 쓰이는 차단 장치
장치감지하는 것동작 방식막아 주는 것
퓨즈과전류가는 금속선이 전류의 열로 녹아 끊어짐(한 번 쓰면 교체)과부하, 단락
배선용 차단기과전류과부하는 바이메탈이 열에 휘어 서서히 끊고, 단락은 전자석이 순간적으로 끊음(스위치를 다시 올리면 재사용)전선·기기의 과열과 화재
누전차단기나가는 전류와 돌아오는 전류의 차이(보통 약 30 mA)전류가 몸이나 땅으로 샜다는 뜻이므로 약 0.03초 안에 끊음감전, 누전으로 인한 화재

⚠️ 차단기는 만능이 아닙니다

  • 멀티탭의 정격이 차단기보다 작을 수 있습니다. 벽 속 배선은 보통 20 A 차단기가 지키지만, 멀티탭은 15~16 A 표시인 경우가 많습니다. 전류가 그 사이(예: 18 A)이면 차단기는 끊지 않는데 멀티탭 전선은 이미 한계를 넘어 뜨거워집니다(아래 시뮬레이션 ③).
  • 접촉 불량은 전류가 크지 않아 차단기가 느끼지 못할 수 있습니다. 플러그가 따뜻해지면 사용을 멈추고 점검해야 합니다.
  • 차단기가 내려갔다면 원인(과부하, 단락, 누전)을 찾아 없앤 뒤 올립니다. 반복해서 내려가면 전문가에게 점검을 맡기세요.

🔬 시뮬레이션 ③ — 한 콘센트에 얼마나 꽂을 수 있을까?

220 V 콘센트 하나에 가전제품을 꽂아 보세요. 전류 합계가 멀티탭 정격(16 A로 표시된 경우 가정)과 분전반 차단기(20 A 가정) 기준에서 어디에 있는지 보여 줍니다.

멀티탭 정격 16 A
차단기 20 A
0 A
40 A 이상

이렇게 해 보세요

  1. 전기히터, 헤어드라이어, 에어프라이어를 함께 켜 보세요. 합계가 약 18.6 A로 차단기(20 A)는 끊지 않지만 멀티탭 정격(16 A)은 넘습니다. 가장 위험한 구간입니다.
  2. 기기를 더 켜서 20 A를 넘기면 차단기가 과부하로 끊습니다. 불편하지만 화재를 막아 주는 정상 동작입니다.
  3. 단락 사고를 켜 보세요. 저항이 거의 0이 되어 전류가 폭증하고, 차단기가 순간적으로 끊습니다.
  4. 전류가 정격의 몇 배인지도 확인하세요. 열은 전류의 제곱에 비례하므로 정격의 1.2배(약 19 A)만 흘러도 전선 열은 약 1.4배가 됩니다.

⑥ 교류에서는? — 저항과 다른 '방해'의 등장

저항은 직류에서도 교류에서도 같은 크기로 방해하고, 전압과 전류가 같은 박자로 변하며, 받은 전기를 열로 써서 없앱니다.

그런데 교류에서는 저항과 전혀 다른 방식으로 전류를 방해하는 부품이 있습니다. 축전기와 코일입니다. 이들은 주파수에 따라 방해하는 정도가 달라지고, 전기를 쓰지 않고 저장했다 돌려줍니다. 다음 편 축전기·코일과 교류의 만남에서 이어집니다.

✏️ 스스로 생각해 보기

  1. 같은 구리선이라도 가늘고 긴 선과 굵고 짧은 선 중 저항이 큰 것은 어느 쪽일까요?
    정답 보기 가늘고 긴 선입니다. 길수록 충돌할 원자가 많고, 가늘수록 전자가 지나갈 통로가 좁기 때문입니다.
  2. 전기난로의 열선은 왜 저항이 큰 니크롬으로 만들까요?
    정답 보기 저항이 클수록 전자의 충돌이 많아 전기 에너지가 열로 많이 바뀌기 때문입니다. 구리선처럼 저항이 작으면 열이 거의 나지 않습니다.
  3. LED를 전원에 저항 없이 직접 연결하면 안 되는 이유는 무엇일까요?
    정답 보기 LED 자체는 전류를 거의 제한하지 못해 과전류가 흘러 순식간에 타 버립니다. 직렬 저항이 전류를 알맞은 크기로 줄여 줍니다(시뮬레이션 ②).
  4. 켜진 백열전구는 꺼져 있을 때보다 필라멘트의 저항이 왜 클까요?
    정답 보기 필라멘트가 매우 뜨거워져 원자가 세게 흔들리고 전자와 더 자주 충돌하기 때문입니다(시뮬레이션 ①의 온도).
  5. 멀티탭 하나에 전기히터, 헤어드라이어, 에어프라이어를 동시에 꽂으면 왜 위험할까요? 차단기가 끊어 주지 않을 수도 있을까요?
    정답 보기 세 기기의 전류 합이 약 18.6 A라서 멀티탭 정격(16 A)을 넘어 멀티탭 전선이 과열됩니다. 벽의 차단기가 20 A라면 아직 끊지 않으므로 차단기가 멀티탭을 지켜 주지 못합니다(시뮬레이션 ③).
  6. 플러그가 헐거워 따뜻해졌습니다. 전류 합계는 정상인데 왜 뜨거워질까요?
    정답 보기 헐거운 접촉 부분의 저항이 커져 그곳에서만 전류가 열로 바뀌기 때문입니다. 전체 전류는 정상이라 차단기는 느끼지 못합니다.

저항값, 전류, 전력을 숫자로 계산하는 문제는 기초수학의 전기/회로 공식 편 연습문제에 있습니다.

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핵심 정리

  • 저항은 재료가 전류의 흐름을 방해하는 정도이고 단위는 옴(Ω)입니다.
  • 금속 안에서 전자가 원자와 부딪혀 속도를 잃기 때문에 저항이 생기고, 이때 전기 에너지가 열(줄열)로 바뀝니다.
  • 저항은 재료, 길이, 굵기, 온도로 정해집니다. 길고 가늘고 뜨거울수록 저항이 큽니다.
  • 전선은 저항이 작은 구리, 히터는 저항이 큰 니크롬을 씁니다.
  • 전자기기에서 저항은 전류 제한, 전압 나누기, 열 발생, 신호·밝기 조절, 센서로 꼭 필요합니다. LED 앞의 저항이 대표적입니다.
  • 저항이 비정상으로 커지거나(접촉 불량) 작아지면(단락) 과열·사고의 신호입니다. 열은 전류의 제곱에 비례해 과부하·접촉 불량·단락·누전이 전기 화재의 주된 원인이 됩니다.
  • 집의 배선용 차단기(과전류)와 누전차단기(약 30 mA의 새는 전류)가 전기를 끊어 지켜 주지만, 정격이 작은 멀티탭의 과열이나 접촉 불량은 막지 못할 수 있어 평소 점검이 필요합니다.
  • 교류에서 저항과 다르게 행동하는 축전기·코일은 다음 편에서 만납니다. 계산 공식은 기초수학 전기/회로 공식 편을 참고하세요.

🧑‍🏫 선생님·학부모님을 위한 설명 도움말

자주 하는 오해

  • "저항은 전기를 낭비하는 나쁜 것이다" — 전선의 저항은 줄이는 것이 좋지만, 히터·LED 보호·센서·볼륨처럼 저항이 있어야 동작하는 기기가 많습니다.
  • "전류가 있어야 저항이 있다" — 저항은 재료의 성질이라 전원을 꺼도 그대로 있습니다. 전류가 흐를 때 그 효과가 나타날 뿐입니다.
  • "전자가 빛의 속도로 달린다" — 전선 속 전자는 매우 천천히 흐르고, 빠른 것은 전기장이 전달되는 속도입니다.
  • "저항이 클수록 늘 전기가 많이 소비된다" — 같은 전압에서는 저항이 클수록 전류가 작아져 소비 전력이 줄어듭니다(전구 100 W보다 10 W가 저항이 큼). 무엇을 고정했는지에 따라 다릅니다.
  • "저항은 늘 일정하다" — 온도, 빛, 압력에 따라 변하는 저항도 있고 이를 센서로 씁니다.
  • "차단기가 있으니 멀티탭을 아무리 써도 괜찮다" — 차단기는 벽 속 배선의 정격(예: 20 A)에 맞춰져 있어, 정격이 더 작은 멀티탭이나 접촉 불량으로 인한 국부 과열은 막지 못할 수 있습니다.

비유로 설명하기

  • 저항은 좁은 복도입니다. 사람(전자)이 복도 벽(원자)에 부딪히며 지나가야 하니 천천히 가고, 부딪힐 때마다 열이 납니다.
  • 복도가 길수록, 좁을수록, 벽이 흔들릴수록 지나가기 어렵습니다(길이, 굵기, 온도).
  • LED 앞의 저항은 수도꼭지에 달린 유량 조절 밸브입니다.

함께 해 볼 질문·활동

  • 시뮬레이션 ①에서 재료를 하나씩 바꾸며 어떤 재료가 전선에, 어떤 재료가 히터에 알맞은지 이야기해 보기.
  • 집에 있는 가전제품 중 열을 내는 것(전기난로, 토스터, 헤어드라이어)과 열을 내지 않는 것(스마트폰 충전 케이블)을 나누어 보고 이유를 생각해 보기.
  • 어른의 지도 아래 멀티탭과 플러그가 사용 중 뜨거워지지 않는지 살펴보기(뜨거우면 사용을 멈춤).
  • 집 분전반의 차단기 정격(예: 20 A)과 멀티탭에 적힌 정격(A, W)을 찾아 비교하고, 함께 써도 되는 가전제품을 정해 보기(차단기 레버는 만지지 않기).
  • 어른의 지도 아래 건전지, LED, 저항(수백 Ω)으로 회로를 만들고 저항 값을 바꿔 밝기를 비교해 보기(콘센트 전기로는 절대 하지 않기).

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