전기 에너지, 전력, 전력량

안녕하세요.

제주도에서 중·고등학생을 대상으로 개인&그룹 과학수업을 하고 있는 달빛과학 입니다.

발전소에서 만들어진 전기는 전선을 통해 우리집까지 전달됩니다. 그렇게 전달된 전기는 많은 일들을 하죠. TV를 켜고, 형광등을 밝히고, 에어컨을 가동시킵니다. 과학에서는 이렇게 여러가지 '일을 할 수 있는 능력'을 '에너지(energy)'라고 말합니다. 전류가 흘러서 만들어지는 '전기 에너지'에 대해서 공부해보도록 합시다 ^^

*** 전기 에너지 [electric energy]

■ 전기 에너지

전기 에너지란 전류가 흘러서, 즉 전자의 이동에 의해 만들어지는 에너지를 말합니다.

일과 에너지의 단위는 줄[J]입니다.

전류가 흘러서, 즉 전자의 이동에 의해 만들어지는 전기 에너지의 단위도 줄[J]을 사용합니다.

■ 에너지 전환

앞서 말씀드린 것처럼 전기 에너지는 여러가지 에너지로 전환되어 일을 합니다.

- 형광등을 키고 (빛 에너지)

- 세탁기를 돌리고 (운동 에너지)

- 다리미로 옷을 다릴 수 있습니다 (열 에너지)

■ 전류의 열작용

전류가 흐르면 전자들이 한 방향으로 이동을 하면서 원자핵과 충돌합니다. 이렇게 전류가 흐르는 것을 막는 정도가 '저항'이라고 했지요. 이런 충돌이 많으면 많을수록 빛이나 열이 발생하게 됩니다.

이렇게 전류가 흘러 열이 발생하는 것을 '전류의 열작용'이라고 합니다.

전기 인덕션이나 전기 난로는 이런 성질을 이용해서 전기 에너지를 열 에너지로 전환시켜 발생하는 열을 크게 한 전기 기구죠.

■ 전압, 전류, 시간과의 관계

전류의 열작용을 측정하면 전기 에너지의 크기 정도를 알 수 있겠죠. 전기 에너지 만큼 열 에너지로 전환이 되니까요.

전압, 전류, 시간에 따른 전류의 열작용 정도를 측정해보니 모두 비례 관계가 성립되었습니다. 즉, 전압이 높을수록, 전류가 많이 흐를수록, 시간이 길수록, 열의 발생량이 높았습니다.

즉, 전기 에너지의 크기도 전압, 전류, 시간에 비례합니다.

전기 에너지를 계산하는 식을 다음과 같이 쓸 수 있겠네요.

전기 에너지 = 전압 X 전류 X 전류가 흐른 시간

★ 여기서 전류가 흐른 시간의 단위는 '초(second)'입니다.

※ 전기 에너지 1J은 전압 1V, 전류 1A, 시간 1s가 흘렀을 때의 전기 에너지의 크기입니다.

1J = 1V x 1A x 1s

▶ 단위

전기 에너지: J, 줄

전압: V, 볼트

전류: A, 암페어

시간: s, 초

*** 전력 [electric power, 電力]

'단위 시간 동안 전기장치에 공급되는 전기 에너지'를 '전력'이라고 합니다.

전기 에너지를 시간으로 나눈 값입니다. 에너지를 시간으로 나눈 것이니 '일률, 능력(Power)'을 의미하죠.

전력의 계산식은 다음과 같아요.

전력의 단위는 'W(와트)'를 사용합니다. 1kW(킬로와트)는 1,000W 입니다.

※ 전력 1W는 전기 에너지 1J이 1초 동안 흘렀을 때, 전압 1V - 전류 1A 때의 전력 크기입니다.

1W = 1J/1s = 1V x 1A

■ 정격 소비 전력

전기 장치나 기구가 정상적으로 작동하는 전압을 '정격 전압'이라고 합니다. 우리나라 전기 기구의 정격 전압은 220V 죠.

이렇게 정격 전압에서 작동하는 전기 기구의 전력을 '정격 소비 전력'이라고 합니다.

■ 직렬, 병렬 연결에서 전구의 밝기

전구의 전력값은 전구의 밝기를 의미합니다. 그래서 '몇 와트 짜리 전구'라고 하죠.

같은 저항값을 갖는 전구라도 직렬, 병렬 연결에 따라서 소비하는 전력이 달라져서 밝기가 차이나게 됩니다.

같은 1Ω의 저항값을 갖는 전구 두 개를 직렬 연결하여 2V의 전압을 걸어주었습니다. 합성 저항은 2Ω이 되고 전체 전류는 1A가 흘러 각 전구에도 1A의 전류가 흐르게 되겠지요.

그렇다면 각 전구가 소비하는 전력은 1W = 1V x 1A 가 됩니다.

이번에는 같은 1Ω의 저항값을 갖는 전구 두 개를 병렬 연결하여 2V의 전압을 걸어주었습니다. 합성 저항은 0.5Ω이 되어 전체 전류는 4A가 흐르고, 각 전구에 2A의 전류가 나누어 흐르게 됩니다. 또한 전압은 병렬 연결이기 때문에 각 전구에 2V의 전압이 걸리게 되겠죠.

그렇다면 각 전구가 소비하는 전력은 4W = 2V x 2A 가 됩니다.

이렇게 같은 전구라도 연결 방법에 따라 소비하는 전력이 달라져 밝기 차이가 날 수 있답니다.

*** 전력량 [electrical energy ,電力量]

전기 기구가 일정한 시간 동안 사용한 전력의 양을 '전력량'이라고 합니다.

전력에 시간을 곱해 구하는데요, 여기서 곱하는 시간의 단위는 1시간(1 hour)입니다.

전력이 전기 에너지의 '일률'이라면, 전력량은 전기 기구가 하는 '일(Work)'을 의미합니다.

★ 전기 에너지의 시간 단위는 1초 / 전력량의 시간 단위는 1시간 (구분해주세요!)

전력량의 단위는 W(와트)에 h(시간)을 곱한 Wh(와트시)입니다.

※ 전력량 1Wh는 전력 1W의 전기 기구가 1시간(1h) 동안 작동하며 사용한 전력의 양입니다.

1Wh = 1W x 1h

*** 정리해봅시다

전기 에너지(E), 전력(P), 전력량(W)에 대해 간단히 정리해봅시다.

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이번 학습 자료는 간단한 문제 풀이로 마무리를 해보겠습니다.

※ 정격 소비 전력이 220V - 22W 인 전구가 있습니다.

▶ 이 전구에 정격 전압 220V 걸었을 때 흐르는 전류값은? 답: 0.1A

풀이)

전력 = 전압 x 전류

전류 = 전력 ÷ 전압 = 22W ÷ 220V = 0.1A

▶ 이 전구의 저항값은? 답: 2,200Ω

풀이)

V=IR, 전압 = 전류 x 저항

저항 = 전압 ÷ 전류 = 220V ÷ 0.1A = 2,200Ω

▶ 이 전구에 정격 전압 220V를 걸어 10시간 동안 사용한 전력량은? 답: 220Wh

풀이)

전력량 = 전력 x 시간 = 22W x 10h = 220Wh

교과서나 참고서에 나오는 다양한 문제들을 풀어보시고 전기 에너지, 전력, 전력량에 대해 완벽히 공부하시길 바랍니다 ^^

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