옴의 법칙(Ohm's Law)

옴의 법칙은 전류의 세기는 두 점 사이의 전위차에 비례하고, 전기저항에 반비례한다는 법칙입니다. 1826년 독일의 물리학자 G. S. Ohm이 발견하여 옴의 법칙이라고 명명되었습니다.

이 법칙을 수식으로 표현한다면 V=IR이 됩니다. V는 전압, I는 전류, R은 저항입니다.

자, 이제부터 옴의 법칙을 쉽게 설명하여 보겠습니다.

전기 회로는 높낮이가 있는 물로도 표현할 수 있습니다. 제가 지금까지 배운 대부분의 것을 이 물로 설명할 수 있을 정도로 물은 다양하게 쓰입니다.

서로 높이가 다른 두 물통이 있습니다. 두 물통의 아랫쪽으로 구멍을 뚫고 호스를 연결하면, 두 물통의 물의 양이 같아지면 물의 이동이 멈춥니다.

이때 물을 넣어준다면 두 물통에 물이 일정하게 차고, 호스에서의 물의 흐름도 일정할 것입니다.

하지만 속이 빈 호스와 속이 많이 이물질로 차있는 호스를 사용하여 연결한후 비교하면 어떻게 될까요??

속이 빈 호스의 물의 속도는 속이 차있는 호스의 속도보다 빠를 것입니다.

여기서 물의 속도는 전압, 속의 이물질은 저항, 물의 양은 전류로 표현할 수 있습니다.

물을 계속 넣어주지 않는다면 위에서 설명했듯이 물의 흐름은 멈출 것입니다.

그래서 이 물을 계속 넣어주는 것이 바로 전지(Battery) 입니다.

저항은 왜 생길까요??

보통 전기가 흐르는 길(도선) 은 금속으로 만듭니다.

왜냐하면 금속 원자는 같은 금속끼리 금속 결합을 합니다.

금속 결합이란 금속 원자들이 모여 있으면, 금속 원자는 전자를 잃기 쉽기 때문에, 금속 원자들 사이를 금속 원자의 전자가 원래 원자와의 상호작용을 가지지 않고 자유전자 상태로 돌아다니게 됩니다. 이때 전자를 잃은 양이온과 자유전자 사이의 정전기적 인력으로 인해 결합되게 됩니다.

그래서 금속 결합을 한 물체, 즉 금속은 전자가 이동하기가 쉽기 때문에 전선으로 많이 쓰이는 것입니다.

그런데 금속의 사이사이는 약간의 구조적 결함이 있고, 소량의 불순물을 포함하고 있기 때문에 이것이 전자의 이동을 방해하게 됩니다.

즉, 전자의 이동을 방해한다, "저항" 이 생기는 것입니다.

또한 전자들은 서로 부딫치게 되므로, 이것도 이동을 방해하게 되어, 저항이 생깁니다.

저항은 또한 도선의 단면적과 길이에 영향을 받습니다.

이것을 식으로 나타내면 위와 같은 공식이 성립합니다.

왜냐하면 단면적이 넓으면 전하가 움직이는데 충돌이 적어지고, 길이가 길어지면 그만큼 오래 충돌하므로 길이는 비례하고 단면적은 반비례하게 됩니다.

여기서 p는 비저항이라고 불리는 값입니다.

비저항은 온도와 불순물, 도선의 재질에 따라 영향을 받습니다. 그 예로는 백금을 사용한 디지털 온도계를 들 수 있습니다.

이 온도계는 온도에 따라 달라지는 백금 코일의 저항값으로 온도를 측정합니다.

또한 불순물이 많아지면 위에서 설명했듯이 저항이 커지며, 도선도 전기 전도도가 큰 물질일수록 저항이 작고, 전도도가 낮은 물질일수록 저항이 큽니다.

예를 들어 구리, 은, 금 등이 전자 회로에서 많이 쓰이는 이유는 그만큼 전도성이 좋다=저항이 낮다는 것입니다.

하지만, 옴의 법칙에는 예외도 있습니다.

첫번째로 온도에 따라서 저항이 달라집니다. 그 예로 초전도체를 들 수 있습니다. 초전도체는 저항이 0입니다.

다음은 p-n 접합으로 만들어진 다이오드 입니다. 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흘리기 때문에, 테스터기로 역방향을 흘리면 0을 가리키게 됩니다.