전압: 무엇인가?

필드: 기본 전기학

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전압이란?

전압(또는 전기 잠재 차, 전동력 emf, 전기 압력 또는 전기 장력이라고도 함)은 두 점 사이의 단위 전하 당 전기 잠재 차를 정의합니다. 전기장에서. 전압은 수학적으로(즉, 공식에서) "V" 또는 "E" 기호로 표현됩니다.

전압에 대한 더 직관적인 설명을 찾고 있다면, 이 기사의 이 섹션으로 건너뛰세요.

그렇지 않다면, 아래에서 전압에 대한 더 공식적인 정의를 계속하겠습니다.

정전기장에서, 두 점 사이의 단위 전하를 이동시키는데 필요한 작업은 전압으로 알려져 있습니다. 수학적으로, 전압은 다음과 같이 표현할 수 있습니다,

$\begin{align*} Voltage = \frac{Work\,\,Done\ (W)}{Charge\ (Q)} \end{align*}$

여기서 수행된 작업은 줄이고 전하는 쿨롱입니다.

$\begin{align*} Thus, Voltage = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

전압은 회로의 두 점 사이의 전기 포텐셜 에너지의 양으로 정의할 수 있습니다.

한 점은 높은 전위를 가지고 다른 점은 낮은 전위를 가집니다. 높은 전위와 낮은 전위 사이의 차이는 전압 또는 전위차라고 합니다.

전압 또는 전위차는 전자가 회로를 통해 흐르는 힘을 제공합니다.

전압이 높을수록 힘이 커지고 따라서 더 많은 전자가 회로를 통해 흐릅니다. 전압 또는 전위차가 없으면 전자는 자유 공간에서 무작위로 움직입니다.

전압은 때때로 "전기 장력"이라고도 부릅니다. 예를 들어, 1 kV, 11 kV, 33 kV 등의 케이블의 전압 처리 용량은 각각 저장력, 고장력, 초장력 케이블로 불립니다.

전기장의 전위로서의 전위차의 정의

앞서 언급했듯이, 전압은 전기장의 두 점 사이의 단위 전하 당 전기 포텐셜 차이로 정의됩니다. 이를 방정식을 사용하여 설명해 보겠습니다.

두 점 A와 B를 고려해봅시다.

점 B를 기준으로 한 점 A의 전위는 전기장 E의 존재 하에 단위 전하를 점 A에서 B로 이동시키는 데 필요한 작업으로 정의됩니다.

수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다,

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

이는 또한 점 B를 기준으로 한 점 A와 B 사이의 전위차입니다. 다음과 같이 표현할 수도 있습니다,

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

전압은 개념적으로 이해하기 어려운 개념일 수 있습니다.

그래서 우리는 전압을 더 쉽게 이해할 수 있도록 실제 세계의 구체적인 것으로 비유를 사용하겠습니다.

비유를 통한 전압 이해

"수압 비유"는 전압을 설명하는 데 자주 사용되는 비유입니다.

수압 비유에서:

전압 또는 전기 포텐셜은 수압과 동등합니다
전류는 수량 흐름 속도와 동등합니다
전기 전하량은 물의 양과 동등합니다
전기 도체는 파이프와 동등합니다

비유 1

아래 그림에 표시된 대로 물 탱크를 고려해보세요. 그림 (a)는 같은 수위로 채워진 두 개의 탱크를 보여줍니다. 따라서 압력 차가 없기 때문에 물이 한 탱크에서 다른 탱크로 흐르지 않습니다.

그림 (b)는 서로 다른 수위의 두 탱크를 보여줍니다. 따라서 이 두 탱크 사이에는 압력 차이가 있습니다. 따라서 물은 두 탱크의 수위가 같아질 때까지 하나의 탱크에서 다른 탱크로 흐릅니다.

마찬가지로, 서로 다른 전압 수준의 두 배터리를 도체로 연결하면 전하가 더 높은 전위를 가진 배터리에서 더 낮은 전위를 가진 배터리로 흐를 수 있습니다. 따라서 더 낮은 전위를 가진 배터리는 두 배터리의 전위가 같아질 때까지 충전됩니다.

유사성 2

지면 위에 특정 높이에 위치한 물 탱크를 고려해보겠습니다.

호스 끝의 물 압력은 전기 회로의 전압 또는 전위 차와 동일합니다. 탱크 안의 물은 전기 전하와 동일합니다. 이제 탱크에 더 많은 물을 넣으면 호스 끝에서 더 큰 압력이 발생합니다.

반대로 탱크에서 일정량의 물을 빼면 호스 끝에서 발생하는 압력이 감소합니다. 이 물 탱크를 저장 배터리처럼 생각할 수 있습니다. 배터리의 전압이 감소하면 램프가 어두워집니다.

유사성 3

전압 또는 전위 차가 전기 회로에서 어떻게 작업을 수행하는지 이해해봅시다. 아래 그림에 전기 회로가 표시되어 있습니다.

수압 회로에서 보듯이, 물은 기계 펌프에 의해 파이프를 통해 흐릅니다. 파이프는 전기 회로의 도체와 동일합니다.

기계 펌프가 두 지점 사이에 압력 차이를 생성하면, 압력이 가해진 물은 터빈을 구동하는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.

비슷하게, 전기 회로에서는 배터리의 전위 차가 도체를 통해 전류를 흐르게 하며, 따라서 흐르는 전류는 램프를 켜는 등의 작업을 수행할 수 있습니다.

전압은 무엇으로 측정됩니까 (전압 단위)?

전압의 SI 단위

전압의 SI 단위는 볼트입니다. 이는 V로 표시됩니다. 볼트는 전압의 유도된 SI 단위입니다. 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타 (1745-1827)가 발명한 볼타 쌓기(Voltaic Pile)는 최초의 전기 배터리였으며, 따라서 볼트라는 단위는 그를 기리기 위해 명명되었습니다.

SI 기본 단위로 표현한 볼트

볼트는 전기 회로의 두 점 사이의 전기 포텐셜 차이로, 전기 회로를 통과하는 쿨롱 당 1조울의 에너지를 소모할 때 정의됩니다. 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다,

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

따라서 볼트는 SI 기본 단위로 다음과 같이 표현할 수 있습니다 $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ 또는 $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

또한 와트당 암페어 또는 암페어와 오ーム의 곱으로 측정할 수도 있습니다.

전압 공식

전압의 기본 공식은 아래 이미지에 표시되어 있습니다.

전압 공식 1 (오름의 법칙)

오름의 법칙에 따르면, 전압은 다음과 같이 표현할 수 있습니다,

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

예제 1

아래 회로에서 4A의 전류가 15Ω의 저항을 통과하고 있습니다. 이 회로의 전압 강하를 결정하세요.저항을 통해 4A의 전류가 흐르고 있습니다. 전압 강하를 결정하세요.

해결책:

주어진 데이터: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

오ーム의 법칙에 따르면,

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

따라서, 이 방정식을 사용하여 회로의 전압 강하가 60볼트임을 알 수 있습니다.

전압 공식 2 (전력과 전류)

전달되는 전력은 공급 전압과 전기 전류의 곱입니다.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

이제 $I=\frac{V}{R}$ 를 위의 방정식에 대입하면 다음과 같이 됩니다.

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

따라서 전압은 전력과 전류의 비로 구할 수 있습니다. 수학적으로,

$\begin{align*} V = \frac{P}{I} \,\,볼트\end{align*}$

예시 2

아래 회로에서 2 A의 전류가 48 W의 전구를 통과하고 있습니다. 공급 전압을 결정하십시오.

해결책:

주어진 데이터: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

위에서 언급한 전압, 전력 및 전류 간의 공식에 따르면,

$\begin{align*} & V = \frac{P}{I} \\ & = \frac{48}{2} \\ & V = 24 \,\,Volts \end{align*}$

따라서 이 방정식을 사용하여 24볼트의 공급 전압을 얻습니다.

전압 공식 3 (전력과 저항)

방정식 (1)에 따르면, 전압은 전력과 저항의 곱의 제곱근입니다. 수학적으로,

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

예제 3

아래 회로에서 2 Ω 저항을 가진 5 W 램프를 발광시키기 위한 필요한 전압을 결정하십시오.

해결 방법:

주어진 데이터: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

위에서 언급한 공식에 따르면,

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

따라서, 방정식을 사용하여 $5 W, 2\Omega$ 램프를 발광시키기 위한 필요한 전압은 3.16 볼트입니다.

전압 회로 기호 (교류 및 직류)

교류 전압 기호

교류(교류 전류) 전압의 기호는 다음과 같습니다:

직류 전압 기호

직류(직류 전류) 전압의 기호는 다음과 같습니다:

전압의 차원

전압(V)은 단위 전하당 전기 포텐셜 에너지를 나타냅니다.

전압의 차원은 질량(M), 길이(L), 시간(T), 암페어(A)로 표현할 수 있으며, $M L^2 T^-^3 A^-^1$ 으로 주어집니다.

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

일부는 전류를 나타내기 위해 I 대신 A를 사용하기도 합니다. 이 경우 전압의 차원은 다음과 같이 표현할 수 있습니다 $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

전압 측정 방법

전기 및 전자 회로에서 전압 측정은 필수적인 매개변수입니다. 우리는 특정 지점과 회로의 접지 또는 영전압 라인 사이의 전압을 측정할 수 있습니다.

3상 회로에서, 3상 중 하나와 중성점 사이의 전압을 측정하면 이를 대지 전압이라고 합니다.

마찬가지로, 3상 중 두 상 사이의 전압을 측정하면 이를 상간 전압이라고 합니다.

전압을 측정하는 다양한 기기가 있습니다. 각 방법에 대해 논의해보겠습니다.

볼트미터 방법

시스템 내 두 지점 사이의 전압은 볼트미터를 사용하여 측정할 수 있습니다. 전압을 측정하려면 볼트미터는 측정하려는 구성 요소와 병렬로 연결되어야 합니다.

볼트미터의 한 리드는 첫 번째 지점에, 다른 리드는 두 번째 지점에 연결되어야 합니다. 볼트미터는 절대로 직렬로 연결되어서는 안 됩니다.

볼트미터는 회로 내의 어떤 구성 요소나 두 개 이상의 구성 요소 간의 전압 강하를 측정하는 데에도 사용될 수 있습니다.

아날로그 볼트미터는 고정 저항을 통과하는 전류를 측정하여 작동합니다. 오ーム의 법칙에 따르면, 저항을 통과하는 전류는 고정 저항 양단의 전압 또는 전위 차에 비례합니다. 따라서 알려지지 않은 전압을 결정할 수 있습니다.

아래 그림은 9V 배터리의 전압을 측정하기 위한 볼트미터 연결 예시를 보여줍니다:

멀티미터 방법

현재 가장 일반적인 전압 측정 방법 중 하나는 멀티미터를 사용하는 것입니다. 멀티미터는 아날로그식이나 디지털식일 수 있지만 디지털 멀티미터가 더 높은 정확도와 낮은 가격으로 가장 많이 사용됩니다.

어떤 장비의 전압 또는 전위 차는 멀티미터의 프로브를 측정하고자 하는 두 지점에 연결하여 쉽게 측정할 수 있습니다. 아래 이미지는 멀티미터를 사용한 배터리 전압 측정 방법을 보여줍니다.

Multimeter for Voltage Measurement — 배터리 전압 측정을 위한 멀티미터 연결

포텐셔미터 방법

포텐셔미터는 널 균형 기법의 원리를 이용하여 작동합니다. 이는 알려지지 않은 전압을 알려진 참조 전압과 비교하여 측정합니다.

오실로스코프, 정전기 볼트미터 등 다른 장치들도 전압 측정에 사용될 수 있습니다.

전압과 전류의 차이 (전압 대 전류)

전압과 전류의 주요 차이점은 전압이 전기장에서 두 지점 사이의 전하의 잠재차이인 반면, 전류는 전기장에서 한 지점에서 다른 지점으로의 전하 흐름이라는 점입니다.

간단히 말해, 전압은 전류가 흐르게 하는 원인이며, 전류는 전압의 결과라고 할 수 있습니다.

전압이 높을수록 두 지점 사이를 흐르는 전류가 많아집니다. 두 회로의 지점이 동일한 전위를 가지면 그 지점들 사이에는 전류가 흐를 수 없습니다. 전압과 전류의 크기는 서로 의존적입니다 (오ーム의 법칙에 따름).

전압과 전류의 다른 차이점들은 아래 표에서 논의됩니다.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — 전압과 전류의 차이

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — 전압과 전류의 차이

전압과 전위차 (전압 대비 전위차)

전압과 전위차 사이에는 큰 차이가 없습니다. 그러나 다음과 같이 그 차이를 설명할 수 있습니다.

전압은 두 점 사이에서 단위 전하를 이동시키는데 필요한 에너지의 양이며, 전위차는 한 점의 높은 전위와 다른 점의 낮은 전위 간의 차이입니다.

점 전하에 의한:

전압은 무한대의 다른 참조점을 고려하여 어떤 점에서 얻은 전위입니다. 반면, 전위차는 두 점 간의 유한 거리에서의 전위 차이입니다. 수학적으로 이를 다음과 같이 표현할 수 있습니다,

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

전압에 대한 비디오 설명을 선호한다면 아래의 영상을 확인하세요:

일반적인 전압이란?

일반적인 전압은 전기 장치나 설비의 일반적인 전압 수준이나 등급을 의미합니다.

다양한 전기 장비 또는 기기의 일반적인 전압 목록이 아래에 나열되어 있습니다.

연산전지 전기 자동차에서 사용: 12 볼트 DC. 12 V 배터리는 6개의 셀로 구성되며 각 셀의 공통 전압은 2.1 V입니다. 셀들은 전압 등급을 높이기 위해 직렬로 연결됩니다.
태양광 셀: 일반적으로 오픈 회로 조건에서 약 0.5 볼트 DC를 생성합니다. 그러나 여러 태양광 셀이 직렬로 연결되어 태양광 패널을 형성하고, 이는 더 높은 총 전압을 출력할 수 있습니다.
USB: 5 볼트 DC.
고전압 전력 송전선: 110 kV부터 1200 kV AC.
고속 열차(추진) 전력선: 12 kV와 50 kV AC 또는 0.75 kV와 3 kV DC.
TTL/CMOS 전원공급: 5 볼트.
단일 셀, 충전식 니켈카드뮴 배터리: 1.2 볼트.
손전등 배터리: 1.5 볼트 DC.

배전 회사가 주택 소비자에게 공급하는 일반적인 전압은 다음과 같습니다:

일본: 100 V, 1상 AC
미국: 120 V, 1상 AC
인도, 호주: 230 V, 1상 AC

배전 회사가 산업 소비자에게 공급하는 일반적인 전압은 다음과 같습니다:

일본: 200 V, 3상 AC
미국: 480 V, 3상 AC
인도: 415 V, 3상 AC

전압의 응용

전압의 몇 가지 응용 사례는 다음과 같습니다:

가장 일반적인 응용 중 하나는 저항기와 같은 전기 장치나 설비의 전압 강하를 결정하는 것입니다.
전압 등급을 높이기 위해서는 전압을 추가해야 합니다. 따라서 셀들은 전압 등급을 높이기 위해 직렬로 연결됩니다.

전압은 모든 전기 및 전자 장비의 기본 에너지원입니다. 다양한 응용 분야에서 작은 전압(5V)부터 높은 전압(415V)까지 사용됩니다.

낮은 전압은 많은 전자 장비와 제어 응용 분야에서 주로 사용됩니다.

높은 전압은 다음과 같은 용도로 사용됩니다:

정전기 인쇄, 정전기 도장, 재료의 정전기 코팅
우주 공학 연구
정전기 집진기 (대기 오염 제어)
제트 추진 연구소
X선 튜브
고출력 증폭관 진공관
질량 분석
절연 시험
식품 및 음료 시험
정전기 스프레이 및 스핀 응용, 전자 사진술
플라즈마 기반 응용
수위 감지
유도 가열
플래시 램프
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Voltage	Current
The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.