회로 만들기 🔁
전기는 한 바퀴 빙 돌 수 있는 길이 있어야 일을 해요. 이 길을 회로라고 불러요. 직접 전선을 이어서 전구를 켜 봐요!
① 회로는 전기의 달리기 트랙
운동장의 달리기 트랙을 떠올려 봐요. 선수들은 출발선에서 출발해서 트랙을 한 바퀴 돌아 다시 출발선으로 돌아와요. 전기도 똑같아요!
② 닫힌 회로, 열린 회로, 합선
✅ 닫힌 회로
길이 한 바퀴 다 이어져 있어요. 전기가 흐르고 전구가 켜져요.
✂️ 열린 회로
길이 중간에 끊겼어요(스위치를 껐거나 전선이 빠짐). 전기가 멈춰요.
💥 합선 (쇼트)
전기가 전구를 건너뛰고 지름길로 곧장 돌아와요. 전기가 엄청 많이 흘러 뜨거워지고 위험해요!
세 가지 회로 비교
③ 회로 놀이터 🛝
아래에서 부품을 고르고 칸을 눌러 놓아 보세요. 같은 부품을 다시 누르면 빙글 돌아가요. 스위치는 👆 손가락으로 눌러 켜고 꺼요.
회로 놀이터
🎓 모델: 건전지 1.5V(내부저항 0.2Ω), 전구 10Ω, 저항 20Ω, 모터 8Ω, 스위치 ON 0.01Ω, 전선 칸 0.01Ω. 절점해석(MNA)으로 매번 풀어 계산합니다. 건전지 전류가 2A를 넘으면 합선으로 판정.
④ 직렬과 병렬 — 크리스마스 전구의 비밀
🚂 직렬 연결
전구들이 한 줄로 기차처럼 이어져 있어요. 길이 하나뿐이라서 전구 하나가 빠지면 모두 꺼져요. 옛날 크리스마스 전구가 그랬어요 — 하나만 나가도 줄 전체가 깜깜!
전구가 많을수록 전기를 나눠 써서 하나하나는 어두워져요.
🪜 병렬 연결
전구마다 자기만의 길이 있어요(사다리 모양). 전구 하나가 빠져도 나머지는 계속 켜져 있어요. 우리 집 전등과 콘센트는 모두 병렬이에요.
전구마다 밝기는 그대로지만, 건전지는 더 빨리 닳아요.
직렬 vs 병렬 비교 실험
💡 전구를 눌러서 빼거나 다시 끼워 보세요!
⑤ 건전지도 직렬·병렬로 연결해요
건전지 2개 연결 비교
병렬: I = E / (r/n + R)직렬은 전압·내부저항 n배(용량 mAh 동일), 병렬은 전압 동일·내부저항 1/n·용량 n배
⑥ 회로 기호 짝 맞추기 🃏
회로도는 전기 기술자들의 지도예요. 부품을 기호로 간단하게 그려요. 카드 두 장을 뒤집어서 기호와 이름이 짝이 맞으면 성공!
기호 카드 뒤집기
⑦ 합성저항 · 키르히호프 · 분압과 분류 🔴 전문가
합성저항 계산기
① 값 목록: 쉼표로 구분 (예: 10, 20, 30, 단위 k·M 가능)
② 식으로 계산: + = 직렬, | 또는 // = 병렬(먼저 계산), 괄호 사용 가능
키르히호프의 법칙
KCL (전류 법칙)
한 절점(node)으로 들어오는 전류의 합 = 나가는 전류의 합. 전하 보존 법칙입니다.
KVL (전압 법칙)
임의의 폐회로를 한 바퀴 돌 때 기전력의 합 = 전압강하의 합. 에너지 보존 법칙입니다.
KCL·KVL 검증 실험
R₁과 (R₂ ∥ R₃)가 직렬인 회로입니다. 값을 바꿔도 두 법칙이 항상 성립하는지 확인하세요.
📝 예제: 전원이 두 개인 회로 (절점 전압법 + KCL)
E₁ = 12V(내부 직렬 R₁ = 2Ω)와 E₂ = 6V(직렬 R₂ = 3Ω)가 절점 a에 연결되고, 절점 a와 접지 사이에 부하 R₃ = 6Ω이 있다. 각 가지 전류를 구하라.
- 절점 a의 전압을 Va로 두고, 각 가지에서 a로 들어오는 전류를 쓴다: I₁ = (12 − Va)/2, I₂ = (6 − Va)/3, 나가는 전류 I₃ = Va/6.
- KCL: I₁ + I₂ = I₃ → (12 − Va)/2 + (6 − Va)/3 = Va/6
- 양변 ×6: 36 − 3Va + 12 − 2Va = Va → 48 = 6Va → Va = 8 V
- I₁ = (12−8)/2 = 2 A, I₂ = (6−8)/3 = −0.667 A(가정과 반대: E₂는 충전되는 방향), I₃ = 8/6 = 1.333 A
- 검산 — KCL: 2 + (−0.667) = 1.333 ✓ · KVL(E₁ 루프): 12 − 2×2 − 1.333×6 = 12 − 4 − 8 = 0 ✓
전류 방향은 임의로 가정해도 됩니다. 결과가 음수이면 실제 방향이 반대라는 뜻입니다. 이 방법이 시험의 '절점 전압법', 루프마다 KVL을 세우면 '망 전류법(메시 해석)'입니다.
분압과 분류 공식
분압 (직렬)
예) 12V, R₁=4Ω, R₂=8Ω → V₁ = 12×4/12 = 4V, V₂ = 8V
분류 (병렬)
예) I=1.5A, R₁=6Ω, R₂=12Ω → I₁ = 1.5×12/18 = 1A, I₂ = 0.5A
⑧ 회로망 해석 도구 🎓
회로가 복잡해지면 전기 기술자들은 "요령"을 써요. 복잡한 회로를 간단한 모양으로 바꿔 보거나, 전원을 하나씩 따로 생각하거나, 두 갈래 길의 균형을 이용하는 방법이에요.
휘트스톤 브리지 — 검류계 바늘을 0에!
전원 10 V. 네 저항을 움직여 가운데 검류계(G)에 전류가 흐르지 않게 맞춰 보세요.
전압원과 전류원
🔋 전압원
연결한 부하와 상관없이 일정한 전압을 내려는 전원. 이상적인 전압원은 내부저항 0, 실제는 내부저항 r이 직렬로 있다고 봐요(건전지를 많이 쓰면 전압이 처지는 이유).
🚰 전류원
부하와 상관없이 일정한 전류를 밀어 넣으려는 전원. 이상적인 전류원은 내부저항 ∞, 실제는 내부저항이 병렬로 있다고 봐요. LED용 정전류 드라이버가 그 예예요.
중첩의 원리: 선형 회로에 전원이 여러 개면, 하나씩만 남기고 나머지는 없애서 각각의 응답을 구해 더합니다. 없앨 때 전압원은 단락, 전류원은 개방합니다(이상 전원의 내부저항 0과 ∞를 떠올리세요). 전력은 전류의 제곱이라 중첩이 되지 않는다는 점에 주의!
예) ⑦의 두 전원 예제(E₁=12V·R₁=2Ω, E₂=6V·R₂=3Ω, R₃=6Ω): E₁만 → R₂∥R₃=2Ω, 전체 4Ω, 3A, Va=6V → I₃′=1A. E₂만 → R₁∥R₃=1.5Ω, 전체 4.5Ω, 4/3A, Va=2V → I₃″=1/3A. 합 I₃ = 4/3 ≈ 1.333 A — 절점 전압법 결과와 같아요 ✓
테브난·노턴 등가회로와 최대전력 전달
- Eth: 부하를 떼어 낸 단자 a–b의 개방전압
- Rth: 모든 독립 전원을 없애고(전압원 단락, 전류원 개방) 단자에서 본 합성저항
- 노턴: IN = Eth/Rth(단락전류), RN = Rth를 병렬로
📚 시험 대비 문제와 제어공학 연결은 자격증 대비: 회로이론·제어공학에서 이어져요 →
⑨ 콘덴서 충전·방전과 시정수 ⏳
콘덴서(커패시터)는 전기를 잠깐 담아 두는 작은 그릇이에요. 저항을 통해 채우면 처음엔 빨리 차다가, 가득 찰수록 점점 느리게 차요. 비울 때도 처음엔 콸콸, 나중엔 졸졸 빠져요.
RC 충전 곡선 그리기
📸 카메라 플래시
작은 건전지로는 한 번에 센 빛을 못 내요. 그래서 몇 초 동안 콘덴서에 전기를 모았다가(삐— 소리) 셔터를 누르는 순간 한꺼번에 쏟아부어 번쩍! 빛을 내요.
⚠️ 꺼도 남아 있는 전기
큰 콘덴서는 전원을 뽑은 뒤에도 한동안 전기를 품고 있어요. 전자레인지·TV·플래시 속을 열면 안 되는 이유예요.
- t = τ 에서 충전 63.2%(방전은 36.8% 남음), 3τ 95%, 5τ 99.3% → 실무에서 "완료"로 봅니다.
- τ는 t = 0에서 그은 접선이 최종값에 닿는 시간이기도 해요.
- 저장 에너지 W = ½CV². 충전 과정에서 저항은 R 값과 관계없이 같은 양 ½CE²을 열로 소모합니다(충전 효율 50%).
- RL 회로의 시정수는 τ = L/R. 전원 투입 직후 콘덴서는 단락, 코일은 개방처럼 보이고, 정상상태에서는 반대입니다.