개념 한 쪽
전기공사기사 전압과 전류의 기준방향 — 수동 부호 규약과 전력의 부호
전압과 전류의 기준방향 세트는 전압 화살표와 전류 기준방향의 정의, 수동 부호 규약, 음의 전류가 측정되었을 때의 전력과 역할, 저항 소자에서 전위차와 소비 전력을 묻는다. 전압원과 전류원의 등가 변환, 내부저항이 있는 전원의 부하전압, 콘덴서 에너지, 종속전원도 묻는다.
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뜻
전압과 전류의 기준방향은 회로를 계산하기 전에 미리 정하는 약속이다. 전압 화살표는 꼬리 쪽이 고전위(+)이고 화살촉 쪽이 저전위(-)로서 전압이 떨어지는 방향을 가리킨다. 전류는 실제 방향이 기준방향과 같으면 값이 양수, 반대면 음수가 된다.
수동 부호 규약은 전류의 기준방향을 전압의 +단자로 들어가는 방향으로 정하고 p=vi를 계산하는 약속이다. 이때 p는 소자가 흡수하는 전력이 되며, 양수이면 소비(부하), 음수이면 공급(전원)이다.
전압이 12V이고 전류가 -2A로 측정되면 P=12×(-2)인 -24W이므로 이 소자는 전력을 공급하는 전원 역할을 한다.
저항이 5Ω인 소자에 -3A가 흐르면 옴의 법칙을 부호 그대로 적용해 V=5×(-3)인 -15V가 된다. 전력은 P=VI=(-15)×(-3)인 45W이고 양수이므로 소비 전력이다.
전압원을 등가 전류원으로 바꿀 때 전류는 기전력을 내부저항으로 나눈 값이고, 내부저항은 직렬에서 병렬로 바뀐다. 기전력 10V, 내부저항 2Ω이면 전류원은 5A이고 2Ω이 병렬로 붙는다. 이상적인 전압원의 내부저항은 0이고, 이상적인 전류원의 내부저항은 무한대이다.
내부저항이 있는 전원에 부하를 연결하면 부하전압은 V = ER/(r+R)이다. 기전력 12V, 내부저항 1Ω, 부하 3Ω이면 부하전압은 9V이다.
콘덴서에 저장되는 에너지는 W = ½CV²이다. 300V로 충전하는 데 9J이 필요하면 C = 2W/V² = 200μF이다. 종속전원은 회로 안의 특정 전압이나 전류에 비례해 값이 정해지는 전원이며, 테브난 등가저항을 구할 때도 제거하지 않고 반영한다. 내부에 기전력이 있는 회로의 단자전압이 70V이고 단자에서 본 임피던스가 60Ω이면, 40Ω을 접속했을 때 흐르는 전류는 70÷(60+40) = 0.7A이다.
예제
출제 패턴은 세 가지다. ① 정의 — 수동 부호 규약은 전류 기준방향이 전압 +단자로 들어가는 방향이고, 이때 p=vi가 흡수 전력이다. ② 전력의 부호 — P가 양수면 소비, 음수면 공급이다. V=12V, I=-2A이면 -24W로 전원 역할이다. ③ 저항 계산 — V=IR에 부호를 그대로 넣는다. R=5Ω, I=-3A이면 V=-15V, P=45W로 소비 전력이다.
④ 전원 변환형 — 전압원 E, r을 전류원 I = E/r, r의 병렬로 바꾼다. 10V·2Ω이면 5A·2Ω 병렬이다. ⑤ 부하 계산형 — V = ER/(r+R)이고, 단자전압 70V·내부 임피던스 60Ω에 40Ω을 붙이면 전류는 0.7A다.
자주 묻는 물음
- 수동 부호 규약이란 무엇인가요?
- 전류의 기준방향을 전압의 +단자로 들어가는 방향으로 정하고 p=vi를 계산하는 약속입니다. P가 양수면 소비, 음수면 공급입니다.
- 전압 12V, 전류 -2A일 때 전력과 소자의 역할은?
- P=12×(-2)인 -24W이므로 전력을 공급하는 전원 역할입니다.
- 저항 5Ω에 -3A가 흐를 때 전위차와 소비 전력은?
- V=5×(-3)인 -15V이고, P=(-15)×(-3)인 45W로 소비 전력입니다.
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