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  안녕하세요 오늘은 키르히호프의 법칙에 대해서 알아보려고 합니다. 전자, 전기를 전공하신 분이라면 많이들 접해 봤을 용어일테데요 실제 업무에도 가장 기초가 되는 법칙이기도한 중요한 법칙이니 한번 다뤄 보겠습니다.

키르히호프의 제 1법칙인 전류 법칙은 회로상의 한 교차점으로 들어오는 전류의 합은 나가는 전류의 합과 같다는 내용으로, 전하가 소멸도, 생성도 되지 않는다는 전하량의 보전 법칙의 또 다른 표현식입니다. 즉, 위 그림을 아래와 같이 공식으로 표현할 수 있습니다.

키르히호프의 전류 법칙은 복잡한 전기 회로에서 전류의 분배를 이해하고 전류의 흐름을 예측하는 데 사용됩니다. 이 법칙은 회로 해석 및 설계에서 중요한 도구로 활용되며, 다양한 전기 및 전자 공학 응용 분야에서 적용됩니다.

 키르히호프의 전압 법칙을 이해하기 위해서는 먼저 폐회로에 대해서 이해가 필요합니다. 폐회로란 전자가 한 점에서 출발하여 회로망을 따라 이동하여 원래의 출발점으로 되돌아 오는 경로를 뜻합니다. 키르히호프의 전압법칙은, 폐로 주위에서 전위 상승과 전위 하강의 대수적 합은 0이라는 법칙입니다. 즉 공급되는 E1의 전압과  V1,V2,V3의 합은 같다는 뜻이고 이는 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

우리는 이러한 키르히호픠 전압 법칙을 이용해서 미지의 전압의 값을 알아낼 수 있습니다. 아래의 예제를 한번 보겠습니다.

인가되는 전압과 각 단에 걸리는 전압 V1,V2를 알고 있을 경우 우리는 키르히호프의 전압 벅칠에 의해서 V3의 값을 구할 수 있습니다.

위 와 같이 키르히호프의 전압 벅칙을 통해서  V3은 4V전압이 걸린다는 것을 알 수 있었습니다. 

전자 관련 분야나 혹은 전기 분야에 종사하시는 분들에게는 키르히호프의 전압, 전류 법칙은 매우 중요한 법칙이므로 꼭 알아둬야 할 정의입니다.

 파스칼의 원리(Pascal's Principle)는 유체 역학과 압력에 관한 중요한 물리적 원리입니다.  한 지점에서 가해진 압력이 유체 안에서 모든 방향으로 동일하게 전파된다는 것을 의미하며, 유체 내에서 어느 한 지점에 가해진 압력이 모든 방향으로 동일하게 전달된다. 이는 유체 내의 모든 지점에 동일한 크기의 압력을 유발 수 있다는 뜻입니다.

 유체가 폐쇄된 용기 안에서 압력을 가하면, 그 압력이 용기의 모든 부분에 전파되므로 유체의 움직임에 영향을 미친다는 것을 의미하기도 하죠 이것은 유체를 압축하거나 확장할 때 유체의 어떤 부분이 움직이면 다른 부분도 함께 움직인다는 것을 말합니다. 좀 더 쉽게 설명해 보겠습니다.

 왼쪽은 F1 = 1 오른쪽은 F2 = 3일때 양쪽의 면적이 같다면 오른쪽 물체를 들어올릴 수 없습니다.

하지만 위의 그림과 같이 왼쪽은 F1 = 1, A=1 오른쪽은 F2 = 3, A = 3이라면 왼쪽과 오른쪽 균형을 맞출 수 있습니다. 왼쪽의 면적을 더 줄인다면 더 큰 힘도 얻을 수 있는 것이죠 이러한 파스칼의 원리는 많은 분야에 매우 유용하게 사용됩니다. 아래에는 파스칼의 원리를 이용한 분야를 알아보겠습니다.

 파스칼의 원리 (Pascal's Principle) 는 다양한 분야에서 유용하게 활용됩니다. 주로 압력 및 유체 역학과 관련이 있으며, 다음과 같은 분야에서 사용됩니다.

1. 유체 역학 연구: 파스칼의 원리는 유체 역학 연구에 핵심적인 역할을 합니다. 이를 통해 압력 및 유체의 흐름, 유체가 물체에 가하는 힘 등을 이해하고 설명할 수 있습니다..

2. 브레이크 시스템 : 자동차의 브레이크 시스템은 파스칼의 원리를 활용하여 설계됩니다. 브레이크 페달을 누르면 작은 힘으로 압력이 생성되어 브레이크 액체를 통해 압력이 차량의 브레이크 디스크나 드럼에 전달되고, 큰 압력으로 변환되어 차량을 멈추는 역할을 수행합니다.

3. 수압계 및 수위 측정장치 : 파스칼의 원리를 활용하여 수압계 및 수위 측정장치를 제작할 수 있습니다. 이러한 장치는 수압과 수위를 측정하고 제어하는 데 사용됩니다.

4. 혈압 측정기 : 혈압 측정기는 파스칼의 원리를 활용하여 동작하는 의료 기기 중 하나입니다. 혈압 측정기는 센서로부터 수집한 압력 데이터를 분석하여 환자의 혈압을 계산합니다. 이때 파스칼의 원리가 적용됩니다. 파스칼의 원리에 따르면 압력이 유체를 통해 동일하게 전파된다는 것을 의미합니다. 따라서 혈압 측정기는 가해지는 압력과 이를 기반으로한 혈압을 정확하게 측정할 수 있습니다.

 지금 우리 주위에 보이는 모든 물질은 원자로 이루어져 있습니다. 하지만 원자는 그 크기가 아주 작아 우리의 눈으로 볼 수 없습니다. 그리고 원자는 원자핵과 전자핵으로 구성되어 있으며, 가벼운 전자는 무거운 원자의 주변을 돌고 있습니다. 질량이 매우작은 전자는 원자핵 주변을 엄청난 빠르기로 돌더라도 원자핵 주변을 벗어나지 않습니다. 그것은 원자핵과 전자핵의 끌어당기는 강력한힘 바로 전기력(electric force) 때문입니다.

 전기력(electric force)이란 전하들 간에 작용하는 힘입니다. 이 힘은 일상생활에서 거의 매일 경험하고 있습니다. 예를 들어 빗질을 할 때 빗이 머리카락을 잡아당기는거와 마찬가지죠, 전기력(electric force)은 같은 극성 끼리 서로밀어내는 척력(repulssive force)과 서로 다른 극성 끼리 서로 잡아당기는 인력(attractive force)으로 표현합니다.  자기력과 마찬가지로 전기력 또한 두 전하의 거리가 멀수록 약해지고, 가까울수록 강해집니다. 또한 물체가 가지고 있는 전하의 양이 많을수록 전기력(electric force)도 강해지는 성질을 가지고 있습니다.

 전하(electric charge)는 전기를 짊어지고 있다는 뜻으로 양 전화와 음 전화 2가지로 구분됩니다. 전하(electric charge)를 양으로 표현할 때, 전하량(Q) 이라고 하며,  국제 단위는 C 쿨롱을 사용합니다. 1C의 단위는 매우 큰 값으로 다음과 같이 수식으로 표현할 수 있습니다. 

 이러한 전하(electric charge)는 물체가 서로에게 인력(attractive force) 또는 척력(repulssive force)을 느끼게 하는 기본적인 물리적 특성이라고도 표현할 수 있습니다. 

 그렇다면 +전하의 전자핵과 -전하의 전자를 가지고 있는 원자는 어떤 상태라고 나타낼 수 있을까요? 일반적으로 원자는 -전하와 +전하가 동등하게 있기 때문에 + 전하도 -전하도 아닌 중성상태라고 말합니다. 하지만 강제로 -전하를 가진 전자를 얻거나 버리는 과정을 통해서 한 종류의 전하가 우수한 상태로 만들 수도 있습니다. 예를 하나로 들어보면 -전하 10개와 +전하 10개를 가지고 있는 원자가 있을때 -전하를 하나 제거하게 되면 이 원자는 +전하가 하나더 많게 됩니다. 중성이였던 원자는 더 이상 중성이 아닌 +전하를 띄는 원자로 됩니다. 반대로 -전하를 하나더 얻게 된다면 -전하를 띄는 원자로 되는 것입니다. 

 빛의 에너지는 전자기파의 일종인 빛이 가지고 있는 에너지를 가리킵니다. 단위는 줄(J)로 표시하며, 빛의 에너지는 빛에 포함되어 있는 광자의 수와 광자의 진동수에 의해 결정됩니다. 빛은 과거에 입자이냐 파동이냐에 대한 논란이 많았는데요 오늘날 빛은 이중성으로 접어들어 플랑크 상수와 빛의 속력을 설명하려고 합니다. 플랑크 상수는 빛의 양자화 상태인 광자의 에너지 크기를 결정하는 기본 상수이며, 빛의 속도는 과거에는 무한하다고 생각했으나 현재는 유한하다는 것을 증명할 수치 입니다.

 빛의 속도는 자연을 이해하는데 있어 매우 중요하고 흥미로운 상수의 하나입니다. 빛은, 실험실의 레이저든지 아니면 멀리 떨어진 별들로부터 발생되는 것이든 관계없이 어디서나 일정한 속도로 움직입니다. 뿐만 아니라 관측자나 광원의 상대운동에도 무관하게 일정하여, 이는 아인슈타인에 의해 상대성이론을 만들어 내는 중요한 근거가 되었습니다. 옛날의 천문학자들은 속도가 무한한 것으로 생각하여 멀리 떨어진 별들에서 일어나는 사건은 즉각 관측된다고 믿었습니다. 그러나 한편으로는 빛의 속도가 유한할지 모른다고 생각한 몇몇의 사람들로 인해서 빛의 속도를 측정할 수 있게 되었습니다. 

 푸코 장치(1850)는 빛의 속도를 측정하기 위해 프랑스 물리학자 이폴리트 피조와 레옹 푸코가 구상한 것입니다. 이 장치는 빛이 회전하는 거울에 반사되어 20마일(35 킬로미터)뒤에 있는 정지된 거울을 향하게 만들어 놓았습니다. 정지거울에 반사되어오는 시간이 지남에 따라서 회전거울이 약간씩 움직이면 빛이 원래의 방향에서 미세한 각도 차로 빗나가게 됩니다. 만약 거울 사이의 거리를 h라 하면, 정지거울에 반사되어 돌아오는데 걸리는 시간은 2h/c 입니다. 회전거울이 조절가능한 회전속도 dθ/dt 로 움직인다면 그 각도는

이 식으로 빛의 속도 c는 측정 값 θ 회전거울의 회전속도, 측정 값 h로 계산 가능해집니다.

 탐지기는 빛의 근원으로부터 2θ만큼인 각도에 위치하는데 그 이유는 법선을 기준으로 회전거울이 θ 만큼 회전하고, 빛의 입사각과 그 반사각으로 인해 θ 만큼 줄어들기 때문입니다.

 프랑스의 물리학자인 아폴리트 피조는 1849년에 처음으로 빛의 속도를 매우 정확하게 측정하는데 성공했습니다. 피조는 약 8.87Km 떨어진 곳에 각각 반사거울을 설치하고, 720개의 톱니를 가진 톱니바퀴 틈새로 빛을 보내어, 그 빛이 반대쪽 거울에 반사되어 톱니 사이로 다시 들어올 수 있도록 장치했습니다. 톱니바퀴를 천천히 돌리자, 톱니 사이로 나간 빛은 반대쪽 거울에 반사되어 그 톱니 틈새로 그대로 들어왔습니다. 그런데 톱니바퀴를 초속 25회전으로 빨리 돌리자, 톱니바퀴 사이로 나간 빛은 다음 톱시 사이로 들어왔고, 피조는 이러한 결과를 수학적으로 계산하여 아래와 같이 빛의 속도가 초속 약 313.000km라고 추정 했습니다.

8.87km x 2(왕복)  x 25회전  x 720 ≒  313,000km

또한 1862년에는 푸코 진자를 발명한 프랑스의 물리학자 레옹 푸코도 피조와 비슷한 방법으로 톱니바퀴를 사용하여 빛의 속도가 초속 약 298,000km라고 추정했습니다. 오늘날에는 달 표면까지 레이저를 쏘아 반사되어 오는 시간을 측정하는 방법으로 빛의 속도를 보다 정밀하게 측정하여, 초속 298,792,485m라고 정의하고 있습니다.

오늘날 빛의 속력은

c=299,792,458 m/s 입니다.

 플랑크 상수는 빛의 양자화 생태인 광자의 에너지 크기를 결정하는 입자의 에너지와 드브로이 진동수의 비(h = E/f)이며, 양자역학의 기본 상수 중 하나입니다. 이 상수를 도입한 물리학자 막스 플랑크의 이름을 땄으며, 기호는 라틴 문자"h"입니다. 

h=6.62607015 x 10^-34 J· s

 플랑크 상수의 역사로는 한 용기 안에 흑체와 한 줄기 빛을 집어넣고 용기를 다시 밀폐화한다고 하면, 이경우 흑체는 밫을 흡수하여 파장의 형태로 다시 방출을 하게 되는데 고전물리의 등분배법칙에 의하면 흑체가 방출하는 에너지는 모든파장에 골고루 나뉘어야 합니다. 이 말은 아주 작은 빛을 넣게 되더라도 상자를 열게 되면 엑스선이나 감마선이 나오게 되는 현실에서는 불가능한 모순이 생기게 됩니다.

 이러한 문제를 해결하기 위해 몇몇의 물리학자들이 매달리게 되었으며, 막스 플랑크는 이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 혁명적인 착상을 하였다. 그것은 '에너지는 주파수에 비례한다.'라는 가정이었습니다. 즉 에너지가 양자화되어 있다는 것입니다. 이 가정에서 에너지와 주파수를 연결해주는 비례상수가 바로 'h'인 것입니다. 물론 플랑크는 가정을 통해서 흑체 복사에 관한 문제를 정리하였고 그 식은 실험과 잘 일치하는 결과를 가지고 왔습니다. 하지만 플랑크는 저 식에 대해서 큰 의미를 두기보다는 실험결과와 일치시키기 위해 어쩔수 없이 도입시킨 것이라는 입장을 취하였습니다.

 빛 에너지는 전자기파의 일종인 빛이 가지고 있는 에너지를 가리킵니다. 단위는 줄(J)이며, 빛 에너지는 빛의 포함되어 있는 광자의 수와 광자의 진동수(파장)에 의해 결정됩니다. 광자의 에너지는 진동수에 의해 결정되며, 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

h = 플랑크 상수, E = 에너지, v= 진동수, c = 빛의 속도, λ = 파장

빛의 에너지(E)와 진송수(v)는 비례하고, 빛의 에너지(E)와 파장(λ)은 반비례하므로, 빛의 진동수가 작을수록 빛의 파장이 길수록 빛의 에너지는 작아집니다.