2단원 · 🟢 새싹 → 🔴 전문가 ✅ 화면 실험은 안전

옴의 법칙과 전력 💧

전기는 눈에 안 보이지만, 물로 바꿔 생각하면 쉬워요. 물탱크 높이, 수도관 굵기, 물레방아로 전압·전류·저항·전력을 알아봐요.

① 전압·전류·저항·전력 — 물로 생각해요

높은 곳에 있는 물탱크를 떠올려 보세요. 탱크에서 수도관을 따라 물이 흘러 내려가 물레방아를 돌려요. 전기도 똑같아요!

⛰️전압 (V)눌러서 뒤집기
물을 미는 힘물탱크가 높을수록 물이 세게 밀려 나와요. 건전지 1개는 1.5V, 콘센트는 220V!
🌊전류 (I)눌러서 뒤집기
흐르는 물의 양1초 동안 관을 지나가는 물이 얼마나 많은지예요. 단위는 암페어(A).
🚰저항 (R)눌러서 뒤집기
관이 좁은 정도관이 좁을수록 물이 잘 못 지나가요. 단위는 옴(Ω).
🎡전력 (P)눌러서 뒤집기
물레방아를 돌리는 힘세게 미는 물이 많이 흐를수록 물레방아가 빨리 돌아요. 단위는 와트(W).
전기물로 생각하면기호단위
전압물을 미는 힘 (물탱크 높이, 수압)V볼트 V
전류1초에 흐르는 물의 양I암페어 A
저항수도관이 좁은 정도 (물을 방해하는 정도)R옴 Ω
전력물레방아를 돌리는 힘 = 수압 × 물의 양P와트 W
전력량물레방아를 얼마나 오래 돌렸나W (또는 E)와트시 Wh, kWh
건전지는 펌프예요 물레방아를 돌고 내려온 물은 사라지지 않아요. 건전지(펌프)가 물을 다시 탱크 위로 올려 줘서 물이 계속 빙글빙글 돌아요. 전기도 전선을 따라 한 바퀴 돌아야 흘러요 — 이걸 회로라고 불러요.
심화: 정의와 단위
  • 전압(전위차) V = W / Q [V = J/C] — 1 C의 전하를 옮기는 데 필요한 일(에너지)
  • 전류 I = Q / t [A = C/s]
  • 저항 R = V / I [Ω], 역수는 컨덕턴스 G = 1/R [S, 지멘스]
  • 전력 P = W / t = VI [W = J/s]
  • 전력량 W = Pt [J = W·s], 실무 단위 kWh. 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J ≈ 860 kcal (1 J ≈ 0.24 cal)
물 비유의 한계: 물관은 물이 새어 나올 수 있지만, 전류는 닫힌 회로에서만 흐르고 전선 속 전자는 "없어지지" 않아요(전하 보존 → 키르히호프 전류법칙).

② 물탱크 시뮬레이터 — 물과 전기를 나란히

왼쪽은 물, 오른쪽은 똑같은 일을 하는 전기 회로예요. 슬라이더를 움직여 보고 두 그림이 똑같이 변하는지 보세요.

물탱크 ↔ 전기 회로

높이 = 전압 관 굵기 = 저항 물레방아 = 전구
💧 물 버전
+ − 6 V R = 8 Ω I = 0.75 A → 전구
⚡ 전기 버전
6.0 V
8 Ω

건전지 4개(1.5V × 4)를 이어 붙인 높이예요. 관이 굵을수록 저항이 작아요.

6.0 V전압 V
0.75 A전류 I = V ÷ R
8 Ω저항 R
4.5 W전력 P = V × I

찾았나요? ① 탱크를 높이면(전압↑) 물이 더 많이 흘러요(전류↑). ② 관을 좁히면(저항↑) 물이 덜 흘러요(전류↓). ③ 물이 세고 많을수록 물레방아가 빨리 돌고 전구가 밝아져요(전력↑).
옴의 법칙 (Ohm's law)
I = V / R전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례
옴의 법칙은 전압–전류 관계가 직선인 선형(옴성) 소자에서 성립합니다. 실제 백열전구 필라멘트는 뜨거워지면 저항이 크게 증가해(텅스텐 냉간 저항은 점등 시의 약 1/10 수준) 켜는 순간 돌입전류가 흐르고, 다이오드·LED는 비선형이라 V/I가 일정하지 않아요. 이 시뮬레이터는 R이 일정한 이상적인 저항을 가정합니다.

③ V = I × R 마법 삼각형

구하고 싶은 값을 손가락으로 가려 보세요. 남은 두 개가 위아래로 있으면 나누기(÷), 옆으로 나란히 있으면 곱하기(×)예요.

가리고 싶은 칸을 누르세요

V ? I ? R ? ×
I = V ÷ R

단위 접두어 주의 시험·실무에서는 mA, kΩ, MΩ가 자주 나와요. 5 V ÷ 2.2 kΩ = 5 ÷ 2200 = 2.27 mA. 계산 전에 기본 단위(V, A, Ω)로 바꾸기가 실수를 줄이는 첫걸음이에요.

④ 전력(W)과 전력량(kWh) — 물레방아 이야기

물레방아로 생각해요 물이 세게(전압) 그리고 많이(전류) 떨어질수록 물레방아가 힘차게 돌아요. 이 "힘차게 도는 정도"가 전력(W)이에요. 그리고 물레방아를 몇 시간 돌렸는지까지 곱하면 전력량(Wh)이 돼요. 전기요금은 전력량으로 내요!
P = V × I전력(W) = 전압(V) × 전류(A)
전력량 = P × t전력량(Wh) = 전력(W) × 시간(h) · 1 kWh = 1,000 Wh
W와 Wh는 달라요 W는 자동차의 속도, Wh는 자동차가 달린 거리와 비슷해요. 빨리(큰 W) 달려도 잠깐만 달리면 거리(Wh)는 짧아요!

60W 백열전구 vs 9W LED — 밝기는 비슷한데?

두 전구는 거의 같은 밝기(약 800 루멘)예요. 백열전구는 전기의 대부분을 빛이 아니라 열로 써 버려요.

1 개
5 시간
30 일
150 원
🔥 백열전구 60W
🌱 LED 9W

요금은 어림값이에요 위 계산은 1kWh ≈ 150원이라고 가정한 어림값이에요(2026년 9월 작성 기준 참고용). 실제 주택용 전기요금은 누진 구간, 기본요금, 기후환경요금·연료비조정요금, 부가가치세, 전력산업기반기금 등이 더해져 달라져요. 정확한 요금은 한전 공식 요금표와 7단원 우리집 전기에서 확인하세요. 참고로 우리나라에서는 2014년부터 일반 백열전구의 국내 생산·수입이 사실상 중단되었어요.

우리집 가전은 전류가 얼마나 흐를까?

6.8 A전류 I = P ÷ 220V
1.5 kWh하루 전력량
43 %16A 멀티탭 대비

실제 소비전력은 제품 뒷면·설명서의 정격 소비전력을 확인하세요. 멀티탭에 꽂은 제품들의 전류를 모두 더한 값이 멀티탭 정격(예: 16A)을 넘으면 과열 위험이 있어요.

⑤ 심화: 저항률 · 줄열 · 역률 🔴 전문가

좁고 긴 길은 힘들어요 사람이 많이 지나가는데 길이 좁고 길면 서로 부딪치며 땀이 나죠? 전선도 가늘고 길수록 저항이 커지고, 전류가 많이 흐르면 뜨거워져요. 그래서 드라이어나 히터처럼 전기를 많이 쓰는 물건은 가느다란 연장선에 꽂으면 위험해요!

저항률: R = ρ L / A

저항은 길이에 비례, 단면적에 반비례
R = ρ · L / Aρ: 고유저항(저항률) [Ω·m], L: 길이 [m], A: 단면적 [m²]
실무·시험에서는 ρ [Ω·mm²/m] 단위를 쓰면 L[m], A[mm²]를 그대로 넣을 수 있어요.
  • 표준연동선 ρ = 1/58 Ω·mm²/m ≈ 0.01724 (= 1.724×10⁻⁸ Ω·m, 도전율 100%)
  • 경동선 ρ ≈ 1/55 Ω·mm²/m (도전율 약 97%)
  • 알루미늄선 ρ ≈ 1/35 Ω·mm²/m (도전율 약 61%)
  • 원형 도체 A = πd²/4 → 지름이 2배면 단면적 4배, 저항 1/4
  • 온도 특성: R₂ = R₁[1 + α₁(t₂ − t₁)], 연동선 α₂₀ ≈ 0.00393 /°C

연장선 탐험기 — 길이·굵기·전류를 바꿔 보세요

10 m
10 m
1.5 ㎟
7 A
–전선 저항 (왕복 2가닥)
–전압강하 e = IR
–전선 발열 P = I²R
–1시간 발열 H = I²Rt

허용전류 대비 부하

허용전류 참고값은 기기 전원코드 최소 단면적 기준(IEC 60335-1 표 예시: 0.5㎟ 3A, 0.75㎟ 6A, 1㎟ 10A, 1.5㎟ 16A, 2.5㎟ 25A, 4㎟ 32A, 6㎟ 40A)을 어림한 것이에요. 실제로는 절연재·설치 방법·주위 온도에 따라 달라지고 제품에 표시된 정격 전류가 우선이에요. 220V 기준으로 계산했어요.

줄열: 전류가 흐르면 왜 뜨거워질까?

전자가 도체 속 원자들과 부딪치면서 전기 에너지가 열로 바뀌어요. 전기히터·토스터·헤어드라이어는 이 열을 일부러 쓰고, 전선에서는 이 열이 손실이자 화재 원인이 돼요.

줄의 법칙 (Joule's law)
H = I²Rt [J] = 0.24 I²Rt [cal]전류의 제곱에 비례 → 전류가 2배면 열은 4배
전력의 세 가지 표현(옴의 법칙 대입):
P = VI = I²R = V²/R
  • 직렬(같은 전류)에서는 P = I²R → 저항이 큰 쪽이 더 많이 발열
  • 병렬(같은 전압)에서는 P = V²/R → 저항이 작은 쪽이 더 많은 전력 소비
  • 예) 220V, 1,100W 전열기: I = P/V = 5 A, R = V²/P = 44 Ω. 전압이 10% 떨어지면(198V) P ∝ V² 이므로 약 81%인 891W
  • 1 kWh = 3,600 kJ ≈ 860 kcal → 물 1 L(1 kg)를 1°C 올리는 데 약 1 kcal
가는 연장선·감긴 릴은 위험해요 ⛔ 보기만 하기
  • 헤어드라이어·전기히터·전기장판처럼 전기를 많이 쓰는 제품은 벽 콘센트에 직접 꽂아요.
  • 가는(0.75㎟ 등) 연장선에 큰 전류가 흐르면 I²R 열이 쌓여 피복이 녹고 화재가 날 수 있어요.
  • 전선 릴(감개)은 끝까지 풀어서 사용해요. 감긴 채로 쓰면 열이 빠져나가지 못해요.
  • 멀티탭에 멀티탭을 꽂는 문어발은 금지! 뜨겁거나 타는 냄새가 나면 즉시 어른에게 알려요.

역률 맛보기: 교류에서는 V × I가 전부가 아니에요

라떼의 우유 거품 컵 가득 라떼를 받았는데 위쪽은 거품이라 실제로 마실 수 있는 건 조금 적어요. 모터가 들어간 전기제품도 흐르는 전기 중 일부는 일을 안 하고 왔다 갔다만 해요. 실제로 일한 부분의 비율을 역률이라고 해요.
유효·무효·피상전력과 역률 교류 회로에서 코일(L)·콘덴서(C)가 있으면 전류와 전압 사이에 위상차 θ가 생겨요.
P = VI cosθ [W] · Q = VI sinθ [var] · S = VI [VA]S² = P² + Q², 역률 cosθ = P / S
같은 유효전력 P를 쓰더라도 역률이 낮으면 전류가 커져서(I = P / V cosθ) 선로 손실(I²R)과 전압강하가 늘어요. 그래서 공장·빌딩은 전력용 콘덴서로 역률을 개선하고, 한전은 역률 90%를 기준으로 요금을 가감하는 제도를 운영해요(세부 기준은 한전 기본공급약관 확인).

전력 삼각형 (유효전력 1 kW, 220 V)

P (유효) Q (무효) S (피상) θ
0.80
1.00 kW유효전력 P
–무효전력 Q
–피상전력 S
–선로 전류 I

왜 우리나라는 220V일까? 🤔

같은 전력을 보내려면 P = V × I이니까, 전압이 2배면 전류는 절반이면 돼요. 전류가 줄면 전선에서 나는 열(I²R)은 4분의 1로 줄어요!

2,200W 제품을 켜 볼까요?

10 A필요한 전류
20 W배선 손실 (0.2Ω 가정)

자세한 이야기(해외 제품, 프리볼트, 변압기, 전기요금)는 7단원 우리집 전기에서 이어져요 →

⑥ 저항의 종류와 온도 🌡️

저항은 전류를 방해하는 "방해꾼"이었죠? 그런데 방해꾼에도 여러 종류가 있어요. 값이 딱 정해진 것, 손으로 돌려서 바꾸는 것, 그리고 온도에 따라 저절로 바뀌는 것까지 있어요.

📏 고정저항

값이 정해져 있어요. 몸통의 색 띠로 몇 Ω인지 알려 줘요. 회로에서 전류를 알맞게 줄일 때 써요.

🎛️ 가변저항

손잡이를 돌리면 저항값이 바뀌어요. 스피커 볼륨이나 조명 밝기 손잡이가 대표적이에요.

🌡️ 서미스터

온도에 따라 저항이 크게 바뀌는 부품이에요. 체온계·전기밥솥·배터리 속에서 온도를 재는 눈 역할을 해요.

복도에서 뛰노는 친구들 금속 속 원자들은 복도에 서 있는 친구들 같아요. 추워서 가만히 서 있으면 전자가 사이사이로 쉽게 지나가요. 그런데 더워지면 친구들이 들썩들썩 몸을 흔들어서 전자가 자꾸 부딪혀요. 그래서 금속은 뜨거워지면 저항이 커져요. 반대로 서미스터(NTC)는 따뜻해지면 오히려 문이 더 많이 열리는 특별한 복도예요. 뜨거울수록 저항이 작아져요!

온도를 올려 보세요

25°C일 때를 1로 놓고 저항이 몇 배가 되는지 비교해요. 세로축은 한 칸 올라갈 때마다 10배(로그 눈금)예요.

━ 구리선 (금속) ━ NTC 서미스터
25 °C
–구리선 (20°C에서 1.000 Ω)
–NTC (25°C에서 10 kΩ)

백열전구는 켜는 순간이 제일 세다 백열전구의 필라멘트(텅스텐)는 켜져 있을 때 2,000°C가 넘게 뜨거워서 저항이 커요. 그런데 차가울 때는 저항이 그 10분의 1 정도밖에 안 돼요. 그래서 스위치를 켜는 순간 평소의 10배가 넘는 전류(돌입전류)가 확 흘러요. 전구가 대부분 켜는 순간 "팍" 하고 끊어지는 이유예요.
심화: 저항의 온도계수 금속 도체의 저항은 사용 온도 범위에서 거의 직선으로 변합니다.
R = R₀ [1 + α(T − T₀)]구리 α ≈ 0.00393 /°C (20°C 기준) · 텅스텐 α ≈ 0.0045 /°C
예) 20°C에서 1 Ω인 구리선이 80°C가 되면 R = 1 × (1 + 0.00393 × 60) ≈ 1.236 Ω → 약 24% 증가. 모터 권선의 온도 상승을 저항 측정으로 추정하는 저항법이 이 원리입니다.
  • NTC(Negative TC): 온도↑ → 저항↓. 근사식 R = R₂₅·exp[B(1/T − 1/298.15)] (T는 절대온도, B ≈ 3,000~4,500 K). 온도 센서, 전원 투입 시 돌입전류 제한용.
  • PTC(Positive TC): 특정 온도(퀴리점)를 넘으면 저항이 급격히 커짐. 과전류 보호용 폴리스위치, 자기 온도 조절 히터.
  • 60W/220V 백열전구: 점등 시 R = V²/P ≈ 807 Ω, 상온에서는 수십 Ω → 투입 순간 전류는 정격(약 0.27 A)의 10배 이상.
  • 가변저항(포텐셔미터)은 3단자: 양 끝 사이는 고정값, 가운데 와이퍼 위치에 따라 분압비가 바뀝니다. 2단자로 쓰면 가변 직렬저항(레오스탯).

⑦ 효율 — 들어간 전기 중 얼마나 쓸모 있게? ♻️

전기제품은 전기를 받아서 빛·움직임·소리·열 같은 쓸모 있는 일로 바꿔요. 그런데 100%를 다 바꾸지는 못하고, 일부는 원하지 않는 열로 새어 나가요. 들어간 전기 중 쓸모 있게 바뀐 비율을 효율이라고 해요.

효율 η = 쓸모 있는 출력 ÷ 들어간 입력 × 100 %입력 = 출력 + 손실
구멍 난 물뿌리개 물뿌리개에 물 10컵을 부었는데 꽃에 뿌려진 건 8컵, 2컵은 옆 구멍으로 샜다면 효율은 80%예요. 백열전구는 구멍이 엄청 큰 물뿌리개예요. 전기 대부분이 빛이 아니라 열로 새어 나가서 만져 보면 뜨겁죠. LED는 구멍이 훨씬 작아요!

효율 계산기

–효율 η
–손실 (열로 샘)
–1년 손실 전력량
–1년 손실 요금 (1kWh≈150원)

예시 숫자는 이해를 돕기 위한 대략값이에요. 실제 효율은 제품마다 달라요.

🔌 충전기가 따뜻한 이유

충전기는 220V 교류를 5~20V 직류로 바꾸는 동안 일부 전기를 열로 잃어요. 그래서 충전 중에 충전기와 휴대폰이 미지근해져요. 너무 뜨거우면 바로 뽑고 어른에게 알려요.

🏷️ 에너지소비효율등급

냉장고·에어컨·세탁기 등에 붙은 1~5등급 스티커예요. 1등급이 가장 전기를 적게 써요. 라벨에 적힌 월간 소비전력량(kWh)이나 연간 에너지비용도 함께 비교해 보세요.

심화: 효율과 손실
η = Pout / Pin = Pout / (Pout + Ploss)
  • 모터: 동손(권선 I²R), 철손(히스테리시스·와류손), 기계손(베어링·통풍)이 있어요. 소형 모터는 수십 %, 대형 고효율(IE3·IE4급) 전동기는 90%를 넘기도 해요.
  • 변압기·전원장치: 무부하손(철손)은 항상, 부하손(동손)은 전류² 에 비례 → 철손 = 동손일 때 최대 효율.
  • 조명: 빛은 효율(%)보다 광효율 lm/W로 비교해요. 백열전구 약 10~15 lm/W, LED 전구는 대략 80~150 lm/W.
  • 직렬 연결된 장치의 전체 효율은 곱: η = η₁ × η₂ × … (예: 충전기 85% × 배터리 충전 90% ≈ 77%)
  • 전기히터는 전기→열이 거의 100%지만, 히트펌프(에어컨 난방)는 바깥 열을 옮겨 와서 전기 1로 열 3 이상을 얻기도 해요. 이 비율은 효율이 아니라 성적계수(COP)라고 불러요.
오늘 배운 것: 전압은 미는 힘, 전류는 흐르는 양, 저항은 방해꾼! V = I × R 삼각형만 기억하면 하나를 몰라도 구할 수 있어요. 그리고 전기요금은 W × 시간 = kWh로 내요. 퀴즈 도전! ⚡