옴의 법칙 설명: 전압, 전류와 LED 저항기

모든 회로를 설명하는 세 가지 양

도체를 통해 이동하는 전하를 전류라고 해. 전하를 움직이게 하는 무언가가 필요한데, 그것이 바로 전압이야. 흐름을 방해하는 무언가도 필요한데, 그것이 바로 저항이야.

• 볼트로 측정하는 전압(V)은 전지와 같은 전원에서 전하 한 단위가 이동할 때 받는 에너지야. 전압은 밀어 주는 힘이야.
• 암페어(amp)로 측정하는 전류(I)는 1초마다 한 지점을 통과하는 전하의 양이야. 전류는 흐름이야.
• 옴(Ω)으로 측정하는 저항(R)은 부품이 그 흐름을 얼마나 강하게 방해하는지 나타내.

처음에는 물에 비유하면 이해하기 쉬워. 전압은 압력과 같고, 전류는 파이프를 통과하는 흐름의 비율과 같으며, 저항은 파이프의 좁은 부분과 같아. 모든 비유에는 극한이 있지만, 이 비유는 세 가지가 서로 어떻게 의존하는지 올바른 느낌을 알려 줘.

안전 범위에 대해 한마디 덧붙이면, 여기서 다루는 내용은 모두 저전압의 전지 크기 회로에 관한 거야. 가정용 전기는 위험하고 실험해 볼 대상이 아니므로, 이 안내서와 실험에서는 그런 내용을 다루지 않아.

옴의 법칙: 하나의 식으로 세 가지 답

일반적인 저항기에서는 저항기에 걸리는 전압을 두 배로 높이면 저항기를 흐르는 전류도 두 배가 됩니다. 이러한 직선 관계를 옴의 법칙이라고 합니다.

V = I × R

식을 변형하면 세 가지 질문에 답할 수 있습니다.

• 전압이 필요할 때: V = I × R
• 전류가 필요할 때: I = V / R
• 저항이 필요할 때: R = V / I

간단한 예를 들어 보겠습니다. 9 V 전지가 450 Ω 저항기에 연결되면 I = 9 / 450 = 0.02 A가 되고, 이는 20 milliamps입니다. 세 수치 중 하나를 바꾸면 나머지 수치도 그에 따라 달라집니다.

옴의 법칙은 대략 일정한 조건에서 옴성 저항기라고 하는 특정 종류의 부품을 설명합니다. 일부 부품은 이 법칙을 따르지 않는데, 그중 하나가 바로 LED입니다. LED는 잠시 후에 살펴보겠습니다.

수치 읽기: milliamps, kilohms와 색 띠

실제 회로에서는 접두사를 아주 자주 사용해. 1 mA는 1암페어의 천분의 일이야. 1 kΩ는 1,000옴이야. V = I × R을 사용할 때 가장 흔한 실수는 단위를 섞는 것이므로, 먼저 단위를 바꿔야 해. 20 mA는 나누기 전에 0.02 A로 바꿔야 하지.

작은 저항에는 숫자가 인쇄되어 있는 대신 색칠된 띠가 줄지어 있어. 일반적인 4색 띠 방식에서는 처음 두 띠가 숫자를 나타내고, 세 번째 띠는 배율, 네 번째 띠는 실제 값이 얼마나 달라질 수 있는지를 알려 주는 허용 오차야. 예를 들어 갈색, 검은색, 빨간색은 각각 1, 0, ×100으로 읽으므로 1 kΩ이야.

첫날부터 전체 색상 코드를 외울 필요는 없어. 실험실에서 몇 개의 저항을 직접 읽어 보면서 패턴이 눈에 익도록 하는 편이 표를 외우는 것보다 더 효과적이야.

LED를 전지에 바로 연결하면 안 되는 이유

일반적인 저항기는 전압이 올라가면 전류도 부드럽게 증가해요. 하지만 LED(발광 다이오드)는 그렇지 않아요. 순방향 전압이라고 하는 특정 전압보다 낮을 때는 전류가 거의 흐르지 않아요. 그 전압을 조금만 넘으면, 아주 작은 추가 전압에도 전류가 매우 가파르게 증가해요.

그래서 저항기 없이 LED를 전지에 연결하는 것은 위험해요. 전지가 계속 전압을 밀어 넣으면 전류가 LED가 견딜 수 있는 수준을 훨씬 넘어서고, LED가 거의 바로 고장 날 수 있어요. LED에는 전류가 "충분해"라고 알려 주는 기능이 내장되어 있지 않아요.

해결 방법은 직렬로 전류 제한 저항기를 추가하는 것이에요. 두 부품에 같은 전류가 흘러야 하므로, 저항기가 LED에 필요하지 않은 전압을 대신 맡아요. 그리고 옴의 법칙에 따라 전류를 제한해요.

저항기 선택하기: 계산 예시

빨간색 LED의 순방향 전압이 약 2 V이고, 5 V 전원에서 약 15 mA의 전류를 흐르게 하고 싶다고 해 봐요.

1. 저항기에 남는 전압을 구해요: 5 V − 2 V = 3 V.
2. 원하는 전류로 나눠요: R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. 220 Ω처럼 그보다 작지 않은 가장 가까운 표준값을 골라요. 그러면 전류가 조금 더 작아지고 LED도 약간 어두워져요. 이렇게 오차가 나는 편이 안전해요.

저항기가 얼마나 많은 전력을 처리해야 하는지도 알아볼 수 있어요. 전력은 P = V × I이므로, 3 V × 0.015 A = 0.045 W예요. 작은 저항기의 정격 안에서 충분히 감당할 수 있는 값이에요.

항상 LED 자체의 자료에서 순방향 전압과 권장 전류를 확인하세요. 위의 수치는 일반적인 예일 뿐, 모든 LED에 똑같이 적용되지는 않아요.

피해야 할 실수

• 단위 변환을 잊는 것. 나눗셈을 하기 전에 밀리암페어와 킬로옴을 암페어와 옴으로 바꿔야 합니다.
• 저항기를 병렬로 연결하는 것. 전류 극한값이 제대로 작동하려면 저항기는 LED와 같은 루프 안에 직렬로 연결해야 합니다.
• LED를 거꾸로 연결하는 것. LED는 한 방향으로만 전류가 흐릅니다. 불이 계속 켜지지 않는다면 계산을 탓하기 전에 LED를 뒤집어 보세요.
• 옴의 법칙을 어디에나 적용할 수 있다고 생각하는 것. 옴의 법칙은 저항기에 적용되는 법칙이지, 회로의 모든 부품에 적용되는 것은 아닙니다.
• "저항이 작을수록 더 안전하다"고 생각하는 것. LED에서는 그 반대입니다. 저항이 작을수록 더 많은 전류가 흐릅니다.

실험실에서 직접 알아보기

Electronics & Arduino 랩에서는 하드웨어 없이도 이런 회로를 만들고 측정할 수 있어. 무료 첫 번째 월드에서는 다음 순서로 진행하면 좋아:

1. 전압, 전류, 저항부터 시작해 세 가지 개념을 구분해 봐.
2. 실제로 옴의 법칙 적용하기에서 방정식을 확인한 다음, 옴의 법칙 변형하기에서 세 가지 형태로 변형하는 연습을 해 봐.
3. LED가 어떻게 작동하는지 살펴봐.
4. 전류 제한 저항기로 LED를 보호해.
5. 전력과 와트로 마무리하면서 저항기가 열을 얼마나 처리하는지 알아봐.

이 랩은 이상적인 부품을 바탕으로 한 단순화된 학습용 모델이므로 실제 부품은 세부적인 부분에서 조금 다를 수 있어. 직접 실험할 때는 저전압 배터리와 USB 수준의 전원만 사용해.