저항의 이해

저항은 전류를 방해하고 전자의 충돌로서 전류의 에너지를 열로 변환하는 특징을 가진 소자이다. 저항은 가장 기본적인 소자로서 어떤 디바이스에서도 필수적으로 활용됨으로 그 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 

 

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저항의 원리

저항은 말 그래도 전자의 흐름에 "저항"하는 것을 의미한다. 이러한 특징 덕분에 저항 소자는 전류의 흐름을 조절하거나 열을 의도적으로 발생시키는데 활용된다. 가장 기본적인 저항의 원리는 위에서 설명한대로 전자의 흐름을 방해하는 것이다. 이를 자세히 이해하기 위해서는 "전도성"이라는 개념까지 확장되어 이해해야 한다. 

전자는 음의 전하를 가지는 물질로서 현대 전자공학에서는 하나의 입자처럼 간주해도 무관하다.(불확정성의 양자역학적 범위 내에서). 만일 자유전자와 금속원자핵이 모여서 균형을 이루는 공간에 전압이 가해진다면, 전기력의 발생으로 전자가 이끌려 이동한다. 전자가 이동하는 과정에서 원자핵 및 불순물들과 빈번한 충돌이 일어나게 되는데 이때 전자가 가진 운동에너지를 잃어버리며 속력이 줄어들고 단위 면적당 전자가 빠져나오는 양이 줄어들게 된다. 

 

이때 전류의 정의는 단위 시간당 빠져나오는 전자의 양 (총 전하)로 정의된다. 즉 1초간 1Q의 전하가 흐른다면 이는  1A로 정의되는 것이다. 전자 1개의 전하가 1.6021773349 ×10^-19 이므로 1Q의 전하는 6.24×10^18개의 전자를 의미한다. 

조금 더 상세한 정의로 도선의 길이를 dx, 단면적을 A라고 하면 위의 아주 작은 부피는 V=Adx가 된다. 단위 부피당 전자가 n개 있다면 총 전하는 nAxq가 되며, 전자의 평균 속도는 Vdx이기에 위와 같은 식에서 dx를 소멸시키고 전자의 유동속도와 전류와의 연관관계를 유도할 수 있다. 이때 주목할 것은 전자의 이동 속도가 대부분의 금속에서 1mm/s 밖에 안된다는 사실이다. (그렇다면 왜 전구에 불을 킬때 광속으로 켜지는지 생각해보라. 전자는 당신 생각보다 많이 느리지 않은가??)

금속내에서 전자의 흐름을 방해하는 정도에 따라 전류는 늘어나기도 하며 감소하기도 한다. 대체로 금속 원자 내에서는 원자 핵, 공공, 불순물 입자에 의해 전자들이 산란된다. 순수한 물질 내에서 전자의 이동을 방해하는 정도는 물질마다 가지는 고유한 특징으로서 원소마다 그 값이 다르다.