전기

■ 전기자기학(전기, 자기, 전하, 정전기), 회로이론(전류, 전압, 저항, 인덕턴스, 커패시턴스, 회로해석), 전자회로(소자), 전자재료(금속), 전력전자(전력제어, 정류, 인버터, 컨버터), 디지털공학(논리회로, 컴퓨터구조), 프로그래밍(C), 자동제어(시퀀스제어, PLC제어), 전기기기(발전기, 전동기, 변압기), 전기설비(법, 제도, 도면, CAD), 에너지공학

 

■ 3상교류, 3상유도전동기, 고유저항, 권선저항, 단상유도전동기, 동기기, 동기발전기, 동기전동기, 발전기, 변압기, 보호계전기, 비선형 회로, 비정현파, 사이리스터, 옴의 법칙, 유도기전력, 유도전동기, 전류의 열작용, 전류의 화학작용, 전위 평형, 자기장, 자기저항, 자속밀도, 전기장, 전자력, 전자석, 전자유도, 정류기, 정전기, 정현파, 제어정류기, 직류기, 직류발전기, 직류전동기, 콘덴서, 쿨롱의 법칙, 회전자기장

 

■ 기전력 (electromotive force(emf). electromotance, 기호: $\varepsilon$)

▷ an energy transfer to an electric circult per unit of electric charge. In nature, emf is generated when magnetic field fluctuations occur through a surface.

▷ 역학적 에너지(또는 화학변화의 에너지)에 의해 어떤 전위차를 만들어내는 것 같은 전원의 작용

▷ 도체 양끝에서 일정한 전위차를 계속 유지시킬 수 있는 능력

☞ 렌츠의 법칙

 

■ 등가회로 (equivalent circuit)

▷ A theoretical circuit that remains all of the electrical characteristics of a given circuit.(to simplify calculation; A simplest form of a more complex circuit in order to aid analysis)

 

■ 렌츠의 법칙(1883년)

▷ 전류가 만드는 자기장의 증감을 방해하는 방향으로 유도기전력이 만들어진다.

▷ 전자기유도법칙에서 부호를 반대로.

▷ $\varepsilon$ = - N ${d \Phi} \over {dt}$ = - L ${{dI} \over {dt}}$ ( ∵ N$\Phi$ = LI )

 

■ 로렌츠 힘 (Lorentz's Force)

▷ 전기장과 자기장이 있는 곳을 움직이면서 지나는 전하가 받는 힘(전기력 + 자기력)

 

■ 리액턴스

▷ 유도성 리액턴스, 용량성 리액턴스

▷ $X_L = j \omega L = j ( 2 \pi f ) L$

▷ $X_C = 1 / (j \omega C) = - j / ( \omega C )$

 

■ 맥스웰 방정식 (Maxwell's equations. 1865년)

▷ 전기장에 대한 가우스 법칙. 자기장에 대한 가우스 법칙. 패러데이 법칙. 앙페르-맥스웰 법칙.

▷ $ \nabla \cdot E = {{\rho} \over { \varepsilon _0} }$

▷ $ \nabla \cdot B = 0$

▷ $ \nabla \times E = - { {\partial B} \over {\partial t} }$

▷ $ \nabla \times B = \mu _0 J + \varepsilon _0 \mu _0 { {\partial E} \over {\partial t} }$

 

■ 역률(cos$\theta$)

▷ 역률=(유효전력)/(피상전력)

▷ 역률 개선을 위해 부하의 지상무효분을 감소시켜야 함. 부하와 병렬로 전력용 콘덴서를 설치하여 진상무효전력 공급

▷ 역률 개선 시 이점(전력용 콘덴서 설치 목적): 전력손실 ↓, 전압강하 ↓, 전기요금 ↓, 배전선 손실 ↓, 설비여력(설비용량의 여유) ↑

▷ 과보상 시 역효과: 모선전압 ↑, 전력손실 ↑, 고조파 왜곡 ↑, 전압변동 ↑

 

■ 오른나사법칙

▷ 앙페르의 오른나사법칙(오른손법칙)

▷ 전기가 흐르면 주변에 자기장이 만들어진다.

▷ 엄지손가락(전류), 감아쥔 나머지 네 손가락(자기장)

▷ 나사를 조일 때, 돌리는 방향과 나사가 박혀들어가는 방향과 동일

▷ 전선을 코일처럼 감았을 때: 감아쥔 네 손가락(전류), 엄지(N극)

 

■ 옴의 법칙

▷ V = IR

▷ I = V / R

▷ 전선이 두꺼울수록 저항은 낮아진다.

▷ 허용전류: 전선이 안정적으로 흘릴 수 있는 전류. 허용전류를 넘어서면 전선이 손상된다.

 

■ 원형 코일

▷ 원형 코일 중심의 자기장의 세기: $nI/d$ (n: 코일을 감은 회수, I: 전류: d: 원형 코일의 지름)

 

■ 위상(phase)

▷ 발전소에서는 발전기를 회전시겨 전기를 생산 (일정한 회전운동)

→ 전기는 시간에 따라 정현파(sine wave) 형태를 가지게 됨: $v(t) = V_m sin( \omega t + \theta )$

▷ 신호를 특정 회로를 통과하며 위상에 변화를 겪게 되며, 그 차이를 해석하여 회로의 성질을 분석할 수 있음

 

■ 인덕터 (inductor)

▷ 초크(choke coil), 색류선륜(철도용어)

▷ 전류의 변화에 저항하여 전류의 급격한 변화를 막는 역할

▷ 인덕턴스: 전류변화에 대한 저항력. 기호: L. SI단위: H(헨리)

▷ 정상상태인 인덕터에 연결된 전원이 갑자기 차단되면 유도되는 기전력이 순간적으로 크게 치솟으면서 큰 전류가 흘러 소자를 손상시킬 수 있다 → 인덕터가 포함된 회로에서 고속 스위칭이 필요하면, 역기전력 해소하기 위한 추가적인 설계 필요

☞ 렌츠의 법칙

 

■ 임피던스(electrical impedence(전기 임피던스), complex impedence(복소수 임피던스), Z)

▷ impede: 지연시키다. 방해하다. Work on the building was impeded by severe weather.

▷ 교류에서 전류의 흐름을 방해하는 정도

▷ Z = V / I = 저항(R) + 리액턴스(X)

 

■ 자계 (magnetic field)

▷ 자장, 자기장

▷ 자기의 힘이 일을 하고 있는 공간. 자력선이 자리를 차지하는 범위.

▷ 기호: H, 단위: A/m

 

■ 자기력 (magnetic force)

▷ 자석 or 전류(움직이는 전하)가 자기력의 근원

▷ 자석 → 자기장 → 자기력

▷ 전자석

▷ $F = q(v \times B)$ (외적, 오른 나사 법칙. v에서 B로 감아쥠)

▷ q: 전하량, v: 속도, B: 자기장

▷ 전하의 운동방향과 수직으로 작용: 자기력, 구심력, 사이클로트론

 

■ 자기여자현상(self-excitation)

▷ 여자(勵磁): 자기장 안의 물체가 자기를 띠는 현상

▷ 발전기 자기여자현상: 발전기가 장거리 무부하 송전선로를 충전할 때, 충전전류의 영향으로 발전기 단자전압이 정격전압 이상으로 순식간에 증가하는 현상

 

■ 자속(magnetic flux)

▷ 자기선속, 자기다발, 자기력선속

▷ 기호: $\Phi$, 단위: Wb(웨버)

▷ 평면을 관통하는 자력선의 수. 가상의 곡면에 작용하는 총 자기력을 나타내는 물리량.

▷ (자속)=(곡면의 넓이) $\times$ (곡면에 수직인 자기장)

▷ N$\Phi$ = LI (N:권수, L:인덕턴스, I:전류)

 

■ 자속밀도(magnetic flux density)

▷ (자속밀도)=(자속)/(면적)

▷ 기호: B. 단위: N / A $\cdot$ m, Wb / $m^2$, T(테슬라)

▷ B=$\mu$ H (H:자기장의 세기, $\mu$:투자율)

▷ 투자율: 자화되기 쉬운 정도. 얼마나 자속을 잘 통과시키는지 나타내는 물리량.

◆ 전류가 만드는 자기장의 세기(H)

▷ 직선도선: I/ 2 $\pi$

▷ 코일: I / 2r

▷ 솔레노이드: nI

▷ $ \Phi = BS$ ($\Phi$: 자속, B: 자속밀도, S:자속이 통과하는 공간의 면적)

 

■ 자화

▷ 전자의 스핀 방향이 정렬되는 것

▷ 전자의 이동 = 전류(방향은 반대) → 전자의 스핀 = 미세한 원형전류 → 자기장

▷ 서로 다른 원형전류의 방향이 상쇄되어 총합이 0 → 자화되지 않은 물질

▷ 강자성체(e.g, 철)의 영향으로 원형전류의 방향 정렬 → 자기장(즉, 자화)

 

■ 전기력 (electric force)

▷ 전하 → 전기장 → 전기력(전하들 사이의 인력 또는 척력)

▷ $F = qE$

☞ 쿨롱 법칙

 

■ 전기 전도도 (electrical conductance)

▷ 전기를 얼마나 잘 흐르게 하는지를 나타내는 물리량.

▷ 저항(도체에서 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리량)의 역수.

▷ 기호: 시그마, G

▷ SI단위: 지멘스(S). s(초)와 혼동되지 않도록 기호는 mho를 사용하기도 함.

 

■ 전력 (power)

▷ 일률. 시간에 대한 에너지의 변화율. 일정 시간 동안 에너지의 변화가 크면 전력이 큰 것.

▷ 기호: P. 단위: W(와트). 1W = 1J / 1초

▷ $P = VI = I^2 R = V^2 / R$

▷ 기기 W, 공급 V → 전류 I. 결론: W가 같으면 V가 높을수록 전류가 작다.

◆ 피상전력(apparent power)

▷ 유효전력을 공급하기 위해 발전소에서 보내는 총 전력. 유효전력과 무효전력의 벡터합

▷ (피상전력) $\times$ (역률)=유효전력

◆ 유효전력(active power)

▷ 저항에서 소비되는 전력

▷ $I^2 R$

▷ (유효전력)=(피상전력) $\times \cos \theta$ ($\cos \theta$: 역률)

◆ 무효전력(reactive power)

▷ 부하에서 소비되지 않는 전력. 인덕터/커패시터에 축적되었다가 방출되는 전력

▷ $I^2 X$ (X: 리액턴스)

▷ (유효전력)=(피상전력) $\times \sin \theta$

 

■ 전자기유도법칙 (Faraday's law of electromagnetic induction, 마이클 패러데이. 1831년)

◆ 전자기유도

▷ 자속(magnetic flux)의 변화는 기전력을 발생시킨다. 자기장의 변화는 전류(유도전류)를 만든다. 코일 근처에서 자석을 움직이거나 자석 근처에서 코일을 움직이면, 코일에 전류(유도전류)가 흐른다. 자석과 코일의 상대적인 운동으로 코일 내부를 지나는 자기 선속이 변하면, 코일에 전류(유도전류)가 흐른다.

▷ 어떤 닫힌 회로를 통과하는 자기 선속(magnetic flux)의 변화량은 회로의 유도기전력과 같다.

▷ 유기기전력. 유도기전력

◆ 유도전류(induced current)

▷ 전자기 유도에 의해 코일에 흐르는 전류. 전자기유도법칙에 따른 유도기전력에 의해 회로에 흐르는 전류.

▷ 유도전류의 크기: 자석이 빨리 움직일수록, 자석의 세기가 셀수록, 코일을 많이 감을수록 유도전류는 더 많이 흐른다.

▷ $\varepsilon = N \phi / t$ (N(권수. 코일을 감은 횟수), $\phi$(자속), t(시간))

▷ 유도전류의 방향: 코일을 통과하는 자기장의 변화를 방해하는 방향 (렌츠의 법칙)

▷ 앙페르 오른나사법칙: 엄지(코일에 유도된 N극 방향), 감아쥔 네 손가락(유도전류)

▷ $V = - { {\delta \Phi} \over {\delta t}}$ (V(유도기전력), $\Phi$(자기 선속), t(시간), 부호는 유도기전력의 방향)

▷ $\varepsilon = - {{d} \over {dt}} \int \int _S B \cdot da$ ($\varepsilon$: 유도기전력)

▷ 발전기(generator. 운동 → 전기)의 기본 원리

 

■ 정전용량(capacitance)

▷ 전하를 저장할 수 있는 능력. 기호: C. 단위: F(패럿. farad ← 패러데이). 통상 $\mu$F

▷ 전하를 저장할 수 있는 능력을 가진 장치: capacitor, condenser, 축전기

▷ $8.85 \times 10^{-12} \times {\epsilon }_r A / d$ - 유전율(비례), 넓이(비례), 플레이트 사이 거리(반비례).

▷ 역수: 엘라스턴스 (단위: daraf ← 패럿 뒤집은 것)

 

■ 줄의 법칙

▷ 저항이 클수록 열이 많이 발생. 전기장판.

▷ $H = I^2 R t(시간)$

▷ 따듯한 전기장판: 전류 ↑ (전기요금 ↑), 저항 ↑, 시간 ↑

▷ 퓨즈의 원리

 

■ 콘덴서 (condenser)

▷ 커패시터(capacitor), 축전기

▷ connecting lead - conductor(plate) - insulator(dielectric) - conductor(plate) - connecting lead

▷ 불안정한 전원을 잡아줌. 노이즈 제거. 직류 차단 및 교류 통과. IC의 안정적 작동

▷ 절연체(dielectric,유전체): 두 전극판 사이의 전기 차단. 전기를 담는 역할

▷ 절연체 재질에 따라 콘덴서의 종류가 나뉨

▷ 1. 직류: 전하 축적. 콘덴서의 용량만큼 저장된 후 전류가 흐르지 않는다.

▷ 2. 교류: 직류를 차단하고 교류 성분을 통과시킨다.

▷ 정전용량(capacitance)=$8.85 \times 10^{-12} \times {\epsilon }_r A / d$

▷ 설치 주의사항: 주위 온도 상승(전력설비의 기본. 온도 높을수록 성능 ↓, 2차 사고 발생 가능성 ↑), 환기, 콘덴서 용량이 부하설비의 무효분보다 크지 않아야 한다(과보상 발생). 콘덴서 개폐시 나타나는 특이현상(콘덴서 투입 시 돌입전류)에 유의. 콘덴서는 본선에 직접 접속하고, 전용의 개폐기, 퓨즈, 유입차단기 등을 설치하면 안 된다.

▷ 전동기에 콘덴서를 개별 설치할 때 콘덴서 전류가 전동기의 무부하 전류보다 크면 전동기 단자전압이 일시적으로 정격전압을 초과하는 자기여자현상이 발생한다.

▷ 콘덴서 회로의 방전장치: 개로 후 5초 이내에 콘덴서 잔류저하를 50V 이하로 저하시킬 능력이 있는 것을 설치하는 것이 원칙

▷ 콘덴서 설비 사고 원인: 콘덴서 설비 내 배선 단락, 콘덴서 설비의 모선 단락, 콘덴서 소체 파괴 및 층간 절연파괴

▷ 고압 진상용 콘덴서 설비의 보호장치에 사용되는 계전기: 과전압계전기(OVR), 부족전압계전기(UVR), 과전류계전기(OCR)

▷ 고압 진상용 콘덴서의 내부고장 보호: 중성점전압검출기(NVS), 중성점전류검출기(NCS)

▷ 고조파를 제거하기 위해 콘덴서에 직렬리액터 설치

▷ 전력용 진상콘덴서 육안검사 항목: 절연유 누설, 용기 발청(녹이 슬었는지), 단자 이완 및 과열

 

■ 쿨롱 법칙

▷ 전하 사이, 자하 사이

▷ $F = (1 / 4 \pi \epsilon ) ( q_1 q_2 ) / r^2$ : ($\epsilon$: 유전율)

▷ $F = (1 / 4 \pi \mu ) ( m_1 m_2 ) / r^2$ ($\mu$: 투자율)

 

■ 키르히호프의 전류 법칙 (Kirhihoff's Current Law, KCL), 키르히호프 제1법칙

▷ 회로에서의 전하량 보존 법칙.

▷ 회로 내의 어떤 지점(분기점이든 단일 도선이든)에서든지 들어온 전류와 나가는 전류의 대수합은 같다.

▷ The algebraic sum of all currents entering and exiting a node must equal zero.

▷ 전류는 한 방향으로 흐른다.

▷ 저항이 병렬로 연결된 회로에서 저항 양단의 전압은 같고 각각의 저항에 흐르는 전류는 분배된다.

▷ 누전차단기: 키르히호프의 제1법칙이 성립하지 않는다면, 어디에선가 전류가 새는 중.

 

■ 키르히호프의 전압 법칙 (Kirhihoff's Voltage Law, KVL), 키르히호프 제2법칙

▷ 회로 속 닫힌 경로에서 전원의 기전력의 합은 회로 소자의 전압 강하의 합과 같다.

▷ The algebraic sum of all the voltages around any closed loop in a circuit is equal to zero.

▷ The algebraic sum of all the potential differences around the loop must be equal to zero.

▷ Conservation of Energy.

 

■ 플레밍의 법칙(1885년)

▷ 우발좌전: 발전기(generator)는 전류의 방향이 궁금하고, 전동기(motor)는 도체가 움직이는 방향이 궁금하다.

▷ 오른손 법칙: 자계(magnetic field) 내에서 도체가 움직일 때 운동방향, 자속, 기전력에 대한 법칙. 발전기(generator)

▷ 왼손 법칙: 자기장 내 도체에 전류가 흐를 때 도체에 발생하는 힘. 전동기(motor)

▷ 엄지, 검지, 중지로 공간좌표계의 세 축 표시 → 엄지(도체), 검지(자속), 중지(전류)