전류, 전력과 부품의 한계

전류에는 닫힌 경로가 필요합니다

전류는 단면을 통과하는 전하량의 시간당 변화율이며 $I=\Delta Q/\Delta t$로 나타냅니다. 1 A는 1초에 1 C의 전하가 통과하는 것입니다. 관습적인 전류 방향은 양전하가 이동할 방향으로 정합니다. 금속에서 전자의 이동 방향은 그 반대지만, 회로 방정식에서는 관습적인 전류 방향을 일관되게 사용합니다.

전원을 저항의 한쪽 단자에만 연결하면 저항을 통과하는 지속적인 DC 전류가 만들어지지 않습니다. 전하가 돌아갈 수 있는 완전한 경로가 필요합니다. 중간에서 갈라지는 가지가 없는 직렬 경로에서는 모든 소자에 같은 전류가 흐릅니다. 전압은 소자의 두 단자 사이에서 측정하고, 전류는 특정 가지를 통과하는 값을 측정한다는 차이를 기억하세요. 전류계는 회로를 끊고 그 경로에 직렬로 넣어야 합니다. 전류 측정 입력을 전원 양단에 바로 연결하면 의도하지 않은 낮은 저항의 가지를 만들게 됩니다.

에너지 예산

전류가 전압의 양의 단자로 들어갈 때 소자가 흡수하는 전력은 $P=VI$입니다. 저항의 소비 전력은 $I^2R=V^2/R$로도 계산합니다. 1 kΩ에 5 V를 걸면 전류는 5 mA, 전력은 25 mW입니다. 가정한 정격 0.125 W는 계산한 소비 전력보다 크지만, 실제 허용 전력은 온도와 제조사의 디레이팅 곡선에 따라 달라집니다. 정격 숫자 하나만으로 열 설계를 마쳤다고 할 수는 없습니다.

저항을 100 Ω으로 낮추면 전류는 50 mA, 소비 전력은 250 mW가 됩니다. 전압은 그대로인데 소비 전력은 10배로 늘었습니다. 낮은 저항은 부하에 의한 전압 변화를 줄이는 데 도움이 될 수 있지만 전류, 발열, 배터리 사용 시간에는 비용이 생깁니다. 앞서 가정한 0.125 W 정격을 이 조건에 그대로 적용하면 계산상 소비 전력이 정격을 넘는다는 사실도 확인할 수 있습니다.

같은 수동 부호 규약을 전원에 적용하면, 전력을 공급하는 전원의 흡수 전력은 음수입니다. 모든 소자의 전력을 부호와 함께 더해 합이 0인지 확인하면 에너지 보존을 검사할 수 있습니다. 저항에서는 전류 방향을 반대로 정의해도 전압 정의를 함께 바꾸면 $VI$가 양수이고, $I^2R$ 역시 항상 음수가 아닌 값을 줍니다. 전류의 부호와 발열량의 부호를 혼동하지 마세요.

실용적인 계산 기록

전압, 저항, 전류, 계산한 소비 전력, 명시적인 허용 전력을 표에 적으세요. 어떤 값이 가정인지도 표시합니다. 3.3 V 전원과 330 Ω에서는 이상적인 전류가 10 mA이고 저항 전력은 33 mW입니다. 측정 전류가 이 예측보다 크게 나오면 저항 값이 다르거나, 추가 병렬 경로가 있거나, 전원 설정이 잘못되었을 수 있습니다. 그럴듯한 수치가 될 때까지 단위를 바꾸어 불일치를 감추지 마세요.

회로에 저항이 여러 개 있으면 전체 전력이 작더라도 한 부품에 전력이 집중될 수 있습니다. 각 저항에 실제로 걸리는 전압이나 흐르는 전류로 개별 소비 전력을 계산해야 합니다. 또한 이상적인 전원의 설정 전압과 연결 후 단자 전압은 구분해서 기록하세요. 전류 제한에 들어간 전원은 설정값을 유지하지 못할 수 있으므로, 계산에 사용한 전압이 실제 회로에도 걸렸는지 확인하는 것이 해석의 출발점입니다.