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1. 저항과 저항률(resistivity) 개요
전기 회로에서 저항은 전류가 흐르는 동안 전류의 흐름을 제한하는 물리적 특성을 나타냅니다.
저항(resistance)은 일종의 “전기적 마찰”로 생각할 수 있으며, 전기 에너지를 열 에너지로 변환시키는 과정에서 발생합니다.
단위는 오옴(Ω)으로 표시되며, 전기 회로에서 흔히 사용됩니다.
저항률(resistivity)은 특정 물질의 전기적 저항을 나타내는 물리적 특성입니다.
물질의 저항률은 해당 물질이 전기를 통과할 때 발생하는 전기적 저항의 정도를 나타냅니다.
각 물질은 고유한 저항률을 가지며, 이것은 물질의 화학적 및 물리적 특성에 의해 결정됩니다.
저항률은 옴-미터(Ω.m)로 측정되며, 전기 전도체 및 절연체의 특성을 이해하는 데 중요한 역할을 합니다.
저항과 저항률(resistivity) 차이는 쉽게 얘기해서 저항은 전기 회로에서 전류의 흐름을 제한하는 특성을 나타냅니다.
반면, 저항률은 물질의 전기적 저항을 나타내며, 해당 물질의 화학적 및 물리적 특성에 의해 결정됩니다.
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2. 저항률(resistivity)이란?
2-1) 저항률이란?
오옴의 법칙은 전압 (V)이 두 점 사이에 적용될 때, 이 두 점 사이에 전기적인 전류 (I)가 흐를 것이며, 이는 이 두 점 사이의 전위 차에 의해 유도됩니다.
흐르는 전기적인 전류의 양은 저항 (R)의 양에 의해 제한됩니다.
다시 말해, 전압은 전류의 흐름을 유도합니다 (전하의 이동), 그러나 저항은 이를 억제합니다.
전기 저항은 보통 그리스 문자 오메가로 표시되는 옴 단위로 측정됩니다 (Ω).
예를 들어, 50Ω, 10kΩ 또는 4.7MΩ 등이 있습니다. 전도체 (예: 전선과 케이블)는 일반적으로 매우 낮은 저항값을 가지며 (0.1Ω 미만), 회로 분석 계산에 있어 전선의 저항을 0으로 가정하고 계산에서 제외할 수 있습니다.
반면에 절연체 (예: 플라스틱 또는 공기)는 일반적으로 매우 높은 저항값을 가지며 (50MΩ 이상), 따라서 회로 분석에서 그들의 값을 무시할 수 있습니다.
그러나 두 점 사이의 전기 저항은 전도체의 길이, 횡단면적, 온도뿐만 아니라 실제로 만들어진 물질과 같은 여러 요소에 따라 달라질 수 있습니다.
예를 들어, 길이 L, 횡단면적 A 및 저항 R이 있는 전선 (전도체)이 있다고 가정해 보겠습니다.
이 간단한 전도체의 전기 저항 R은 길이 L과 전도체의 면적 A의 함수입니다.
오옴의 법칙에 따르면 주어진 저항 R에 대해 전류 I는 적용된 전압에 비례하여 I = V/R로 나타납니다.
2-2) 전도체를 직렬로 연결하는 경우
이제 두 개의 동일한 전도체를 연속적으로 연결한다고 가정해 보겠습니다.
이 두 전도체를 연속적으로 연결하여 직렬 조합으로 구성하면, 즉 끝에서 끝으로 연결하면 전도체의 총 길이를 효과적으로 두 배로 늘렸으며(2L), 전체적인 단면적 A는 이전과 정확히 동일합니다.
그러나 길이를 두 배로 늘린 것뿐만 아니라 전체 전도체의 저항도 두 배로 증가하여 1R + 1R = 2R로 나타납니다.
따라서 전도체의 저항은 길이에 비례한다는 것을 알 수 있습니다
R ∝ L.
다시 말해, 전도체(또는 전선)의 전기 저항은 길어질수록 비례적으로 커지는 것을 알 수 있습니다.
또한 길이와 따라 전도체의 저항(2R)을 두 배로 증가시키면 이전과 같은 전류 i가 전도체를 통해 흐르도록 하기 위해 적용된 전압을 두 배로 증가시켜야 합니다.
2-3) 전도체를 병렬로 연결하는 경우
이번에든 두 개의 동일한 전도체를 병렬로 연결하는 경우를 가정해 보겠습니다.
이 두 전도체를 병렬 조합으로 연결함으로써, 효과적으로 총 면적을 두 배로 늘렸습니다(2A),
반면 전도체의 길이 L은 원래의 단일 전도체와 동일합니다.
그러나 면적을 두 배로 늘린 것뿐만 아니라 두 전도체를 병렬로 연결함으로써 전체 전도체의 저항을 효과적으로 절반으로 줄였으며, 이로 인해 각 전도체 분기를 통해 전류의 절반씩 흐르게 되어 1/2R이 됩니다.
따라서 전도체의 저항은 면적에 반비례한다는 것을 알 수 있습니다
R 1/∝ A 또는 R ∝ 1/A.
다시 말해, 전기 저항은 전도체(또는 전선)의 단면적이 커질수록 비례적으로 작아질 것으로 기대할 수 있습니다.
또한 전체 전도체 분기의 면적을 두 배로 늘리고 따라서 전체 저항을 반으로 줄인 경우(1/2R), 이전과 같은 전류 i가 병렬 전도체 분기를 통해 흐르도록 하려면 적용된 전압을 반으로 줄여야만 합니다.
이제 우리는 저항이 전도체의 길이 (L)에 비례한다는 것을 보았으며, 즉 R ∝ L이며, 면적 (A)에 반비례한다는 것을 알 수 있습니다.
전도체의 길이와 면적뿐만 아니라, 전도체의 전기 저항은 실제 소재에 따라 달라질 것으로 예상됩니다.
왜냐하면 구리, 은, 알루미늄 등 다양한 전도성 소재는 모두 다른 물리적 및 전기적 특성을 가지고 있기 때문입니다.
따라서 위의 방정식에서 비례 기호(∝)를 단순히 “비례 상수”를 추가함으로써 등호로 변환할 수 있습니다.
- 여기서 R은 옴(ω) 단위의 저항,
- L은 미터(m) 단위의 길이,
- A는 제곱 미터(m2) 단위의 면적,
- 여기서 비례 상수 ρ는 저항률(Resistivity)
전기 저항률은 특정 전도체 소재가 전기 전류의 흐름에 얼마나 강력하게 저항하는지를 측정하는 지표입니다.
이 저항률 요소는 때때로 “특정 전기 저항”이라고도 불리며, 물리적 특성에 따라 서로 다른 유형의 전도체의 저항을 서로 비교할 수 있도록 특정 온도에서 비교합니다.
따라서 ρ의 저항률 값이 높을수록 더 많은 저항이 발생하고 그 반대도 마찬가지입니다.
예를 들어, 구리와 같은 우수한 전도체의 저항률은 대략 1.72 x 10-8 Ω.m(또는 17.2 nΩm) 정도이며, 공기와 같은 불량한 전도체(절연체)의 저항률은 1.5 x 1014 또는 150조 Ω.m를 훨씬 넘습니다.
구리와 알루미늄과 같은 물질은 저항률이 낮아 전기 전류가 쉽게 통과되도록 하기 때문에 전기 배선 및 케이블 제작에 이상적입니다.
은과 금은 저항률 값이 훨씬 낮지만, 당연한 비싸기 때문에 전기 선으로 사용하기에는 어렵습니다.
즉, 전도체의 전기 저항 (R)에 영향을 미치는 요소는
- 전도체 소재의 저항률 (ρ)
- 전도체의 총 길이 (L)
- 전도체의 단면적 (A)
- 전도체의 온도
3. 저항과 저항률(resistivity) 차이
3-1) 저항과 저항률(resistivity)의 기본적인 개념 비교
3-1-1) 저항 (Resistance)
- 개념 및 의미: 전기 회로에서 전류의 흐름을 제한하는 속성으로, 전기 에너지를 열로 변환하며 회로에 일종의 ‘마찰’을 제공합니다.
- 물리적 설명: 전기 에너지의 흐름에 대한 장애물로 생각할 수 있으며, 단위는 옴(Ω)으로 표시됩니다.
- 수식: Ohm’s Law에 따라 V(전압) = I(전류) * R(저항)로 표현됩니다.
3-1-2) 저항률 (Resistivity)
- 개념 및 역할: 물질 자체의 전기 저항을 나타내는 물리적 특성으로, 특정 물질이 얼마나 ‘전기적으로 어려운지’를 측정합니다.
- 물리적 설명: 물질 내부의 전기적 상호작용에 의해 결정되며, 단위는 옴·미터(Ω·m)로 표시됩니다.
- 차이점: 저항은 특정 물체의 전기 흐름을 설명하는 데 사용되는 반면, 저항률은 물체의 물리적 특성을 나타내며 특정 물질이 전기적으로 어려운지를 나타냅니다.
이러한 물리적 특성들은 전기 공학 및 물리학에서 중요한 역할을 하며, 재료의 선택 및 전기 장비 설계에 영향을 미칩니다.
3-2) 저항과 저항률(resistivity) 물리적 의미와 응용 분야에서의 차이점
3-2-1) 물리적 의미
- 저항 (Resistance): 전기 회로에서 전류의 흐름을 제한하는 특성을 나타내며, 저항은 전기 에너지를 열로 변환하여 전류를 제어합니다.
예를 들어, 전구의 밝기를 조절하는데 사용됩니다. - 저항률 (Resistivity): 물질 자체의 전기 저항을 나타내는 물리적 특성으로, 특정 물질이 얼마나 ‘전기적으로 어려운지’를 나타냅니다.
다양한 물질의 전기적 특성을 비교하고 이해하는 데 사용됩니다.
3-2-2) 응용 분야에서의 저항과 저항률 차이점
- 저항: 전기 회로 설계, 전기 장비 제조 및 전기 소자의 성능 평가에 사용됩니다.
전기 회로에서 각 부품의 특성을 이해하고 전압, 전류, 저항을 조절하여 원하는 결과를 얻습니다. - 저항률: 재료 과학 및 공학 분야에서 주로 사용되며, 다양한 물질의 전기적 특성을 이해하고 재료의 선택 및 개발에 활용됩니다.
예를 들어, 전기 절연체, 반도체, 전기 도체 등의 소재의 특성을 연구하고 설계하는 데 중요한 역할을 합니다.
즉, 저항은 전기 회로에서 부품의 동작을 제어하고, 저항률은 물질의 전기적 특성을 이해하여 재료의 선택과 개발에 활용됩니다.
저항과 저항률(resistivity) 둘 다 전기 및 재료 공학 분야에서 중요한 개념으로, 전기 회로 설계와 재료 과학에 광범위하게 적용됩니다.
4. 저항률(resistivity) 예제
20°C에서 구리의 전기 저항률이 1.72 x 10-8 Ω 미터인 경우, 100미터의 2.5mm² 구리 선의 총 DC 저항을 계산해보겠습니다.
먼저, 20°C에서 구리의 전기 저항률은 1.72 x 10-8, 코일 길이 L = 100m,
도체의 단면적은 2.5mm²이며 이는 A = 2.5 x 10-6 m²와 동일합니다.
이는 688mΩ 또는 0.688 Ω입니다.
앞에서 말했듯이 저항률은 단위 길이와 단위 도체 단면적당의 전기 저항입니다.
따라서 저항률인 ρ은 옴 미터(Ωm)로 표시됩니다.
5. 저항과 저항률(resistivity) 중요성
5-1) 전기 회로 설계와 분석에서의 역할
전기 회로 설계 및 분석에서 저항과 저항률(resistivity)은 핵심적인 역할을 합니다.
저항은 전기 회로의 기본 요소 중 하나로, 전기 에너지의 흐름을 제한하고 제어합니다.
회로 설계자는 회로의 목적과 요구 사항에 맞게 적절한 저항을 선택하여 회로를 설계합니다.
저항은 회로에서 전압과 전류의 관계를 조절하는 데 중요한 역할을 합니다.
저항이 높을수록 전류의 흐름이 제한되며, 저항이 낮을수록 전류가 더 자유롭게 흐를 수 있습니다.
따라서 회로 설계 과정에서 적절한 저항 값을 선택하여 전압과 전류의 안정성을 유지하고 회로의 효율성을 향상시킵니다.
또한 회로 분석에서는 저항을 사용하여 전압 Drop, 전류 및 전력 손실 등의 요소를 고려합니다.
저항을 이용하여 회로의 동작을 예측하고 분석함으로써 안정성, 신뢰성 및 효율성을 향상시키는 데 도움이 됩니다.
따라서 전기 회로 설계 및 분석에서는 저항과 저항률(resistivity)에 대한 이해가 필수적입니다.
5-2) 실제 응용과 기술 발전에 미치는 영향
저항과 저항률(resistivity)은 다양한 실제 응용과 기술 발전에 중요한 영향을 미칩니다.
- 전자 기기 및 회로 설계: 전자 기기 및 회로 설계에서는 전기 저항을 고려하여 전압 레벨 및 전류의 안정성을 유지합니다.
저항의 정확한 선택은 전자 기기의 성능과 안정성에 영향을 미치며, 오류나 과열과 같은 문제를 방지합니다. - 전력 시스템 및 전력 전달: 전력 시스템에서는 저항이 전력의 흐름과 손실에 영향을 미칩니다.
전선, 변압기 및 발전기 등의 구성 요소는 저항에 따라 효율성과 안정성이 결정됩니다.
저항을 최소화하고 효율성을 극대화하여 전력 손실을 최소화하는 것이 중요합니다. - 자동차 및 항공 우주 산업: 자동차 및 항공 우주 산업에서는 전기 시스템의 안전성과 신뢰성을 위해 저항을 고려합니다.
차량 내 전기 시스템의 안정성은 운전자와 승객의 안전에 직접적인 영향을 미치며, 항공 우주 산업에서는 항공기의 전기 시스템이 비행 안전성을 보장해야 합니다. - 통신 및 네트워크 시스템: 통신 및 네트워크 시스템에서는 전기 저항을 고려하여 데이터 전송의 안정성과 신뢰성을 보장합니다.
신호의 감쇠와 왜곡을 방지하고 데이터 전송 속도를 최적화하기 위해 적절한 저항 값을 선택합니다.
이러한 영역에서 저항과 저항률(resistivity)에 대한 연구와 기술 발전은 더 나은 제품과 시스템을 개발하고 보다 안전하고 효율적인 운영을 가능하게 합니다.
따라서 저항과 저항률(resistivity)에 대한 이해와 적용은 다양한 산업 및 기술 분야에서 핵심적인 역할을 합니다.