전기 저항
1. 개요
電氣抵抗 / Electric Resistance
전기력에 대한 저항으로 보통 전자회로에 적용되는 말. 기본적으로 전기 회로에서 전류가 흐르는 것을 방해하는 정도를 얘기한다. 한마디로, '''전기가 얼마나 안 통하나'''를 이야기하는 수치.[1]
이때 단위는 과학자 게오르크 시몬 옴의 이름을 따서 만든 옴으로, 오메가라고 읽는 Ω 기호를 써서 표시한다. 예를 들자면, 1A의 전류가 흐르는 전기의 전압이 1V라면 저항이 1Ω. 또 회로에 가해지는 전압이 10V인데 저항이 5Ω이라면 전류는 2A로 팍 낮아진다.
옴의 법칙은 키르히호프 제 2법칙의 가장 기본적인 형태라고 볼 수 있는데, 일단 가장 기본적인 폐회로에서 통한다고 보면 된다.
전자회로 부품 중 저항이라는 걸 들을 수 있는데, 정식 명칭은 '''저항기(Resistor)'''로서 만약 인공적으로 전기적 저항을 만들어 내야 할때 이런 부품을 사용하는 것. 인공적인 저항은 저항기를 통해서 만들고 조절할 수 있다. 공랭 쿨러가 필요 이상으로 너무 빨리 돌아서 소음을 낼 때 이걸 사용해서 회전 속도를 낮출 수 있다.
저항이 만들어지는 가장 큰 이유는 바로 전자끼리의 충돌, 전기가 흐르는 도체에 섞여있는 불순물. 아무리 금속이 깨끗하더라도 그 안에 있는 여러 불순물이 전자의 흐름을 방해하게 되는데, 그에 따라 어쩔 수 없는 비원활이 생성되게 된다. 또는 전자끼리 달리면서 충돌하는 경우도 생길 수 있는데, 이런 행동들이 기본적으로 전류의 흐름을 제지하게 된다. 이 때문에 에너지의 손실이 생기는데 이것이 바로 열이다.
2. 저항값
저항값은 물체의 종류와 구조에 따라 다르다. 도체의 저항은 네가지 요소에 의존하는데, 재료, 길이, 단면적(굵기), 그리고 온도이다. 응집물질물리학에서는 여기에 띠틈이 추가된다.
- 재료: 어떠한 물질은 다른 물질보다 더 많은 저항을 제공한다. 이것은 저항이 재료 안에 존재하는 자유전자수에 의존하기 때문이다.
- 띠틈: 전기가 흐르기 위한 최소한의 에너지 수준. 재료의 고유 특성 중 하나이다.
- 길이: 전선의 도체의 길이가 길수록 저항이 커진다. 즉, 저항은 전선길이에 비례한다.
- 단면적: 저항은 도체 단면적의 크기에 반비례하여 변한다. 즉, 전선이 굵을수록 단위 길이당 저항이 더 작아진다.
- 온도: 대부분의 도체는 온도가 올라갈수록 저항값이 커진다. 이는 온도가 올라가면 도체내부의 분자운동이 활발해져서 전하의 흐름을 방해하기 때문이다.
이것을 이용해 저항의 직렬연결, 병렬연결 계산법을 쉽게 증명할 수 있는데, 직렬연결은 도체의 길이가 길어지는 효과이고, 병렬연결은 도체의 단면적이 넓어지는 효과이기 때문이다.
참고로 전기 저항은 직류뿐만 아니라 교류에도 있으며[2], 이를 일반화시킨 것이 '''임피던스'''이다.
2.1. 직류 회로에서의 동일 저항의 합성
직렬연결일 때 합성저항 $$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} R_{k}$$의 값 ($$R$$ 은 저항의 크기, $$n$$ 은 개수) 은
$$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} R_{k} \\= R_{1}+R_{2}+R_{3}+\cdots+R_{n}\\~=~R+R+R+\cdots+R \\~=~nR$$
이다. 이를 두고 선형성을 띤다고 말하나, 여기서는 그렇게 현학적으로 설명할 필요는 없고, 쉽게 말해 정비례하는 것이며 개수만큼 곱해주면 된다.한 편 병렬연결일 때 합성저항 $$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} R_{k}$$의 값은
$$\displaystyle \sum_{k=1}^{n} R_{k} \\~=~\dfrac{1}{ \dfrac{1}{R_{1}} + \dfrac{1}{R_{2}} + \dfrac{1}{R_{3}} + \cdots + \dfrac{1}{R_{n}} } \\ ~=~ \dfrac{1}{ \dfrac{1}{R} + \dfrac{1}{R} + \dfrac{1}{R} + \cdots + \dfrac{1}{R} } ~=~\dfrac{R}{n} $$
이다. 직렬연결과는 다르게 변수 $$n$$에 관하여 반비례하며, 개수만큼 나눠주면 된다.3. 초전도 현상
온도가 일정 온도보다 낮아질 경우 저항이 0이 되는 현상을 초전도 현상이라고 한다. 이론상으로 초전도체에서 흐르는 전류의 양은 무한하게 된다. 고체 수은을 가지고 아주 낮은 온도에서의 전기 저항의 변화를 조사하던 헤이커 카메를링 오너스(Heike Kamerlingh Onnes, 1853~1926)는 1911년 4월 8일 절대온도 4.2K에 이르자 수은의 전기 저항이 갑자기 사라지는 것을 발견했다. 그 후 다른 여러 가지 물질에서도 초전도성이 발견되었다. 1913년에는 납이 7K에서 초전도체로 전환된다는 것이 발견되었고, 1941년에는 니오븀 질소가 16K에서 초전도체로 전환된다는 것이 발견되었다. 1986년에는 기존의 초전도체와는 다른 종류의 고온 초전도체가 발견되었다. 요하네스 게오르크 베드노르츠(Johannes Georg Bednorz, 1950~)와 카를 뮬러(Karl Alexander Müller, 1927~)는 전이 온도가 35K인 란타늄을 기반으로 하는 구리 산화물을 발견했으며(1987년 노벨 물리학상), 곧 란타늄을 이트륨으로 대체하면(YBCO) 전이 온도가 92K까지 올라갈 수 있다는 것을 발견했다. 이 온도는 액체 질소(끊는점 77K)를 이용하여 도달할 수 있는 온도여서 실용성 측면에서 매우 중요한 온도이다. 1993년경에는 전이온도가 138K인 수은, 구리, 바륨, 칼슘, 산소를 포함하고 있는 세라믹(HgBa2Ca2Cu3O8+δ)이 발견되기도 했다.
기존의 초전도체의 초전도성을 설명하는 이론이 여러 가지 제시되어 초전도체가 만들어지는 과정을 어느 정도 이해할 수 있게 되었지만 1986년 이후 발견된 고온 초전도체에 대해서는 아직 제대로 이해하지 못하고 있다. 만약 상온 초전도체가 만들어진다면 그것은 새로운 기술 혁명을 가능하게 할 것이다.
4. 저항의 이용
전구가 우리 주위에서 가장 흔하게 볼 수 있는 저항이다.
초기의 전동차나 전기 기관차는 저항값의 변경으로 전동기를 제어했다[3].
또한 겨울철에 사용하는 전열기구나 다리미와 헤어 드라이기도 저항을 이용하여 열을 낸다. 그냥 우리 주변의 모든 전자제품은 저항을 이용하다고 보면 되겠다. 그래서 회로도를 그릴 때 이런 제품들은 아예 저항 취급한다.
[3] 속도에 따라 동작하는 저항기 수를 조절하여 모터에 공급되는 전류를 조절했다. 물론 저항으로 전류를 갖다 버리는 방식이기 때문에 전력 효율은 졸렬했고, 1970년대 제어 소자에 반도체 소자가 적용되기 시작하고 가격이 크게 내려간 1980년대 중후반부터는 한국과 일본에서는 저항제어를 적용한 전동차를 새로 제조하지 않고 있다.