전기이론

전기 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리적인 성질입니다

조이컨 2025. 4. 10. 18:14

1. 정의

전기 저항(기호: R)은 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리적인 성질입니다. 저항이 클수록 전류가 흐르기 어렵고, 저항이 작을수록 전류가 더 쉽게 흐릅니다. 전기 저항의 표준 단위는 **옴(Ohm, 기호: Ω)**이며, 독일의 물리학자 게오르크 시몬 옴(Georg Simon Ohm)의 이름을 따서 명명되었습니다.

 

2. 옴의 법칙 (Ohm's Law)

전기 저항을 이해하는 데 가장 핵심적인 법칙입니다. 옴의 법칙은 전압(V), 전류(I), 저항(R) 사이의 관계를 설명합니다.

  • V = I × R (전압 = 전류 × 저항)
  • 이 법칙에 따르면,
    • 일정한 전압에서 저항이 커지면 전류는 작아집니다. (I = V / R)
    • 일정한 전류에서 저항이 커지면 저항 양단에 걸리는 전압 강하(Voltage Drop)는 커집니다. (V = IR)
  • 옴의 법칙은 주로 금속 도체와 같이 전압이나 전류의 변화에 관계없이 저항값이 일정한 **옴성 저항(Ohmic resistance)**에 잘 적용됩니다. (다이오드, 트랜지스터, 전구 필라멘트 등 일부 소자는 비옴성 특성을 보입니다.)

3. 저항값에 영향을 미치는 요인

특정 물체(예: 전선)의 전기 저항값은 다음과 같은 요인들에 의해 결정됩니다.

  • 물질의 종류 (비저항, Resistivity, ρ): 물질마다 전기를 얼마나 잘 통하게 하는지에 대한 고유한 특성이 다릅니다. 이 특성을 **비저항(ρ, 로)**이라고 하며, 값이 작을수록 전기가 잘 통하는 도체이고, 값이 매우 클수록 전기가 잘 통하지 않는 절연체(부도체)입니다.
    • 도체 (Conductor): 비저항이 매우 낮음 (예: 은, 구리, 금, 알루미늄).
    • 절연체 (Insulator) / 부도체: 비저항이 매우 높음 (예: 고무, 유리, 플라스틱, 공기).
    • 반도체 (Semiconductor): 도체와 절연체의 중간 정도 비저항을 가짐 (예: 실리콘, 저마늄). 특정 조건에서 전도성을 제어할 수 있어 전자 소자의 핵심 재료로 사용됩니다.
  • 길이 (Length, L): 저항은 도체의 길이에 정비례합니다. 즉, 도체가 길수록 저항이 커집니다. (R ∝ L)
  • 단면적 (Cross-sectional Area, A): 저항은 도체의 단면적에 반비례합니다. 즉, 도체가 굵을수록(단면적이 넓을수록) 저항이 작아집니다. (R ∝ 1/A)
  • 온도 (Temperature):
    • 대부분의 금속 도체: 온도가 상승하면 원자들의 진동이 활발해져 전자의 흐름을 더 많이 방해하므로 저항이 증가합니다. (저항 온도 계수가 양(+)의 값을 가짐)
    • 반도체, 일부 절연체: 온도가 상승하면 오히려 전하 운반자(전자, 정공)의 수가 증가하여 저항이 감소하는 경우가 많습니다. (저항 온도 계수가 음(-)의 값을 가짐)
    • 특수 합금: 망가닌, 콘스탄탄 등은 온도 변화에 따른 저항값 변화가 매우 작도록 만들어져 정밀 저항기 제작에 사용됩니다.

4. 저항 계산 공식

균일한 단면적을 가진 도체의 저항은 다음 공식으로 계산할 수 있습니다.

  • R = ρ × (L / A)
    • R: 저항 (단위: Ω)
    • ρ: 비저항 (단위: Ω·m)
    • L: 도체의 길이 (단위: m)
    • A: 도체의 단면적 (단위: m²)

5. 회로에서 저항의 역할 및 영향

  • 전류 제한: 회로에 흐르는 전류의 크기를 원하는 수준으로 제한하거나 조절하는 데 사용됩니다. (보호 저항, 전류 제한 저항)
  • 전압 분배: 저항을 직렬로 연결하여 전체 전압을 나누어 특정 부분에 필요한 전압을 만드는 데 사용됩니다. (전압 분배기)
  • 전압 강하: 전류가 저항을 통과할 때 전압이 낮아지는 현상(V=IR)이 발생합니다. 이는 전선에서의 전력 손실의 원인이 되기도 합니다.
  • 열 발생 (줄 발열, Joule Heating): 저항에 전류가 흐르면 전기 에너지가 열 에너지로 변환됩니다 (손실 전력 P = I²R). 이 원리는 전기 히터, 토스터, 백열전구 등에서 유용하게 활용되지만, 일반적인 전기/전자 회로에서는 원치 않는 에너지 손실이며 과열의 원인이 될 수 있습니다.
  • 임피던스 구성 요소: 교류(AC) 회로에서 저항은 임피던스(Z = R + jX)의 실수(Real) 부분을 구성합니다.

6. 저항기 (Resistor)

회로에서 필요한 저항값을 얻기 위해 인공적으로 만든 전자 부품을 저항기라고 합니다.

  • 고정 저항기: 저항값이 특정 값으로 고정된 저항기 (예: 탄소 피막 저항, 금속 피막 저항, 권선 저항 등)
  • 가변 저항기: 저항값을 조절할 수 있는 저항기 (예: 볼륨 조절용 포텐셔미터(전위차계), 전류 조절용 리오스탯)
  • 특수 저항기: 서미스터(온도 변화 따라 저항 변화), 포토레지스터(빛 세기 따라 저항 변화) 등

7. 초전도 (Superconductivity)

특정 물질을 매우 낮은 임계 온도 이하로 냉각시키면 전기 저항이 완전히 0이 되는 현상입니다.

 

 

결론적으로, 전기 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 기본적인 전기적 특성입니다. 물질의 종류, 길이, 단면적, 온도에 따라 달라지며, 옴의 법칙을 통해 전압, 전류와의 관계를 이해할 수 있습니다. 회로 내에서 전류 제한, 전압 분배, 열 발생 등 다양한 역할을 하며, 전자 회로를 설계하고 이해하는 데 필수적인 개념입니다.