01. 자동차 전기장치의 구성
축전지 Battery
축전지는 화학적 에너지를 이용하여 전기적 에너지를 발생하는 기구이다
기동장치 Startiong System
자동차에서 사용하는 내연기관은 자기기동(self starting)을 할 수 없기 때문에 외부의 힘으로 구동시키는 이 장치이다
점화장치 lgnition System
점화장치는 가솔린 기관에서만 사용되며, 낮은 전압의 직류전원을 이용하여 높은 전압(25,000v정도)으로 유도하는 장치이다
충전장치 Charging System
충전장치는 기관을 시동할 때 소모된 축전지를 충전하며, 운행 중 여러가지 전장부품에 전력을 공급하는 장치이다
등화장치 Light System
등화장치는 야간에 자동차를 안전하게 주행하는데 필요한 등화장치와 신호용 등화장치로 구성되어 있다
계기장치
계기장치는 자동차의 운행에 필요한 자동차의 상태를 운전자에게 제공하는 것이며, 운전석 앞쪽의 계기판에 종합적으로 설치되어 있다
안전 및 부속장치
안전장치
안전장치에는 원드 실드 와이퍼, 윈드 와셔, 경음기, 방향지시등, 제동등, 번호등, 미등 등이 있다
부속장치
부속장치에는 난방장치, 에어컨, 라이도, 스테레오, 내비게이션 등이 있다
02. 전기와 전기회로
1. 전기의 개요
전기를 전자론에 의하여 설명하며 모든 물질은 분자로 구성되어 있고 이 분자는 원자의 집합체로 구성되어 있다. 또 원자는 양(+) 전기를 지닌 원자핵과 음(-)전기를 띤 전자로 구성되어 있으며, 원자핵은 다시 양성자와 중성자 분류된다. 원자를 형성하고 있는 전자 중에서 가장 바깥쪽 궤도를 회전하고 있는 전자를 가전자라 부르며, 이 가전자는 구속력이 약하기 때문에 궤도에서 쉽게 이탈할 수 있는데 이런 전자를 자유전자(free electron)라 한다. 자유전자의 이동이 전류이다
2. 정전기
정전기(static electricity)란 전기가 물질에 정지한 상태에 있는 경우이다. 이 정전기는 방전할 때 순간 전류가 되므로 에너지원으로는 이용을 하지 못한다
마찰전기
건조한 플라스틱 막대를 명주로 마찰을 하면 이 플라스틱 막대와 명주는 종잇조각이나 작은 나뭇조각 등의 물체를 잡아당기게 된다. 이경우 플라스틱 막대 또는 명주에 전하가 발생하였다거나 또는 대전하였다고 하며, 이 전기를 마찰전기라 부른다
마찰전기의 극성
명주로 마찰한 2개의 플라스틱 막대를 각각의 실로 수평으로 매달고 가까이하면 서로 밀어내지만, 플라스틱 막대와 명주를 가까이하면 서로 잡아당기는 것을 볼 수 있다. 이에 따라 플라스틱 막대의 전하를 야 또는 정전하라 하고 (+)부호로 표시하며, 명주의 전하를 부 또는 음전하라 하고 (-)부호로 표시한다
정전유도
도체에 대전물체를 근접시켰을 때 대전물체의 가까운 곳에는 대전물체와 다른 전하를 먼 곳에는 같은 전하를 발생시키는 현상을 정전유도라 한다
축전기 Condenser
축전기란 절연체를 사이에 두고 2장의 얇고 편평한 금속판 A와 B를 매우 가깝게 한 후 각각에 (+), (-)전원을 연결하고 전압을 가하면 2장의 금속판으로 (+), (-)의 전하가 이동하여 A판의 (+)전하와 B판의 (-)전하가 서로 흡인하므로 전기를 저장해 둘 수 있다. 이와 같이 전압을 가하여 전하를 저장할 수 있는 기구를 축전기라 한다
축전기의 정전용량
축전기에 저장되는 전기량 Q(coulomb)는 가해지는 전압 E에 비례한다. 즉, 전압이 높을수록 많은 양의 전기를 저장할 수 있으며, 이들 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.
Q = CE
Q : 축전기에 저장되는 전기량
C : 정전용량
E : 축전기에 가해지는 전압
그리고 축전기에 저장되는 정전용량은 다음과 같다
① 가해지는 전압에 정비례한다
② 상대하는 금속판의 면적에 정비례한다
③ 금속판 사이의 절연체의 절연도에 정비례한다
④ 금속판 사이의 거리에 반비례한다
축전기의 종류
축전기는 절연체의 종류에 따라 공기축전기, 종이축전기, 운모축전기, 세라믹축전기, 전해축전기 등이 있다
3. 동전기
동전기(dynamic electricity)란 전자가 물질 속을 이동하는 것이며, 교류(AC)와 직류(DC) 전기가 있다. 교류 전기는 시간의 변화에 따라 전류, 전류의 방향, 전압의 변화가 있으나, 직류전기는 시간의 변화에 따라 전류와 전압의 변화가 없으며 전류의 방향이 일정하다
전류
도체 속의 자유전자가 일제히 A쪽으로 이동하여 도체 B에는 자유전자가 부족하게 된다. 이와 같이 도체 속의 전자이동은 A의 (+)전하가 모두 중성이 될 때까지 계속되며, 이 전자의 이동을 전류라고 한다
◎ 전류의 단위
도체를 흐르는 전류의 크기는 도체의 한 점을 1초 동안에 통과하는 전하의 양으로 표시하며 그 단위는 암페어(Ampere, 기호는 A)를 사용한다
◎ 전류의 3대 작용
(1) 발열작용
도체에 전류가 흐를 때 저항에 의하여 열이 발생한다. 자동차에서 전류의 발열작용은 2가지로 나누어져 사용된다. 하나는 열을 이용한 담배라이터, 예열플러그, 뒷유리 성에 제거용 열선, 수온계, 방향지시등의 플래셔 유닛이며, 또 다른 하나는 빛을 이용한 등화장치의 전구이다
(2) 화학작용
전류가 도체 속을 흐를 때 화학작용 및 전기분해 작용이 발생한다
(3) 자기작용
자기작용은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시키고, 또 반대로 기계적 에너지를 전기적 에너지로 전환시키는 작용을 한다. 자동차에서 자기작용을 이용한 것은 기둥전동기, 발전기, 솔레노이드 기구, 각종 릴레이 등이다
전압(또는 전위차)
전압이란 물체에 전하를 많이 저장해 두면 같은 극성의 전하는 서로 반발하여 다른 전하가 있는 쪽으로 또는 전하가 부족한 쪽으로 이동하려는 압력이다
전압의 단위
전류의 흐름은 전압차이가 클수록 커지며, 전압의 단위는 볼트(Volt: 기호는 V)로 표기한다. 1V란 1옴(Ω)의 도체에 1암페어(A)의 전류를 흐르게 할 수 있는 전기적인 압력이다
기전력 Electric motive Source
도체에 전류를 계속 흐르게 하려면 전압을 발생시켜야 하는데, 이 전압을 만들어내는 힘을 기전력이라 한다
전원 Electric Source
발전기 및 축전지는 전류가 지속적으로 흐르도록 하는 작용을 하는데, 전기가 흐르도록 하는 원천이 되는 것을 전원이라 한다
저항
도체 속을 전류가 흐르기 쉬운가. 또는 어려운가의 정도를 표시하는 것을 전기저항이라 한다
저항의 단위
저항의 단위는 옴(Ohm, 기호는 Ω이다
물질의 고유저항
물질의 저항은 재질형상 및 온도에 따라서 변화하며 형상과 온도를 일정하게 하면 재질에 따라서 저항 값이 변화한다. 즉 길이 1m, 단면적 1㎡인 도체의 두 면 사이의 저항 값을 비교하여 이를 그재료의 고유저항 또는 비저항이라 한다. 기호 로(p)로 표시하며 단위는 Ω㎝를 일반적으로 사용한다. 도체의 고유저항은 다음 표와 같다
도체의 고유저항
| 도체의 명칭 | 고유저항 20℃ | 도체의 명칭 | 고유저항 20℃ |
| 은(Ag) | 1.62 | 니켈(Ni) | 6.9 |
| 구리(Cu) | 1.69 | 철(Fe) | 10.0 |
| 금(Au) | 2.40 | 강 | 20.6 |
| 알루미늄(AI) | 2.62 | 주철 | 57~114 |
| 황동(Cu+Zn) | 5.70 | 니켈-크롬(Ni-Cr) | 100~110 |
도체의 형상에 의한 저항
도체의 저항은 단면적과 길이에 따라 변화하며, 같은 재질의 전선이라도 전류가 흐르는 방향과 수직되는 방향의 단면적이 커지면 저항이 감소하고 전류가 흐르는 길이가 증가하면 그 만큼 원자사이를 뚫고 나가야 하기 때문에 저항이 증가한다. 즉, "도체의 저항은 그 길이에 정비례하고 단면적에 반비례한다" 도체의 단면고유 저항을 p[Ω㎝], 단면적을 A[㎠], 도체의 길이가 ℓ[㎝]인 도체의 저항을 R[Ω]이라 하면 R=p*×( ℓ / A )의 관계가 있으므로 도체와 그 형상이 결정되면 저항 값을 계산할 수 있다
절연저항
절연체의 저항은 절연체를 사이에 두고 높은 전압을 가하면 절연체의 절연 저항정도에 따라 매우 적은 양이기는 하지만 전류가 흐른다. 절연체의 전기저항은 도체의 저항에 비하여 대단히 크기 때문에 메거 옴(MΩ)을 사용하며, 절연저항이라 부른다
온도와 저항의 관계
도체의 저항은 온도에 따라서 변화하며 온도의 상승에 따라서 저항 값이 증가하는 것과 반대로 감소하는 것이 있다. 일반적으로는 금속은 온도의 상승에 따라 저항 값이 증가하지만, 탄소, 반도체 및 절연체 등은 감소한다. 금속의 저항 값은 온도 상승에 비례하여 직선적으로 증가한다. 온도가 1℃상승하였을 때 저항 값이 어느 정도 크게 되었는가의 비율을 표시하는 것은 그 저항의 온도계수라 한다.
접촉저항
접촉저항이란 도체와 도체를 연결할 때 접촉면에서 발생하는 저항이며, 접촉저항을 감소시키는 방법은 다음과 같다
① 접촉면적과 접촉압력을 크게 한다
② 같은 굵기의 전선을 사용한다
③ 전선을 연결할 경우 납땜을 한다
④ 단자에 볼트 너트로 체결할 경우에는 조임을 확실히 한다
⑤ 접점은 깨끗이 청소한다
TIP
전류·저항 및 전압의 관계
① 전류가 크고 저항이 클수록 전압강하도 커진다
② 각각의 회로에서 전압강하의 총합은 회로의 공급 전압과 같다
③ 저항이 일정할 경우 전압이 높을수록 전류는 커진다
④ 저항이 크고, 전압이 낮을수록 전류는 적게 흐른다
⑤ 도체의 단면적이 큰 경우 저항이 적다
⑥ 도체의 경우 온도가 높아지면 저항이 커진다
04. 옴 Ohm의 법칙과 저항의 접속방법
옴의 법칙 Ohm law
도체를 흐르는 전류는 도체에 가해진 전압에 비례하고 그 도체의 저항에 반비례한다
I = E / R , R = E / I , E = I R
여기서 I = 도체를 흐르는 전류(A)
E : 도체에 가해진 전압(V)
R : 그 도체의 저항(Ω)
저항의 접속방법
저항의 직렬접속
몇 개의 저항을 한 줄로 접속하는 것을 직력접속이라 한다. 전압을 이용할 때 사용한다
저항의 직력접속은 다음과 같은 특징이 있다
① 합성저항은 각 저항의 합과 같다
② 어느 저항에서나 똑같은 전류가 흐른다
③ 전압이 나누어져 저항 속을 흐른다. 즉, 각 저항에 가해지는 전압의 합은 전원전압과 같다
④ 큰 저항과 매우 작은 저항을 연결하면 매우 작은 저항은 무시된다
저항의 병렬접속
모든 저항을 두 단자에서 공통으로 연결하는 것으로 작은 저항을 얻고자 할 경우와 전류를 이용하고자 할 때 사용한다
저항의 병력접속의 특징은 다음과 같다
어느 저항에서나 똑같은 전압이 가해진다
① 합성저항은 각 저항의 어느 것보다도 작다
② 병렬접속에서 저항이 감소하는 것은 전류가 나누어져 저항 속을 흐르기 때문이다
③ 각 회로에 흐르는 전류는 다른 회로의 저항에 영향을 받지 않으므로 양끝에 걸리는 전류는 상승한다
④ 매우 큰 저항과 적은 저항을 연결하면 그 중에서 큰 저항은 무시된다
직병렬 연결
직병렬연결이란 직렬과 병렬을 혼합한 연결 방식이며, 그 특징은 다음과 같다
① 합성저항은 직렬합성 저항과 병렬합성 저항을 더한 값이 된다
② 회로에 흐르는 전류와 전압이 상승한다
전압강하 Voltage drop
전기회로에서 사용하고 있는 전선의 저항이나 회로 접속부분의 접촉저항 등에 소모되는 전압을 그 저항에 의한 전압강하라 한다. 전압강하가 커지면 전장부품이 기능이 저하하므로 회로에 사용하는 전선은 알맞은 굵기어이야 한다
05. 키르히호프의 법칙 Kirchhoffs Law
키르히호프의 제1법칙
회로 내의 어떤 한 점에 유입된 전류의 총합과 유출한 전류의 총합은 같다
키르히호프의 제2법칙
임의의 폐회로(하나의 접속점을 출발하여 전원저항 등을 거쳐 본래의 출발점으로 되돌아오는 닫힌회로)에 있어 기전력의 총합과 저항에 의한 전압강하의 총합은 같다
06. 전력과 전력량
전력
전력의 표시
E[V]의 전압을 가하여 I[A]의 전류를 흐르게 할 경우 전력 P[W]는
① P = E I
② P = E I = I R × I = I2 R 즉, P = I2 R
③ P = E I = (E/R) × E = E2 / R
전력량
P[W]의 전력을 t초(sec)동안에 사용하였을 때 전력량[W]는 W = P t (와트 초 또는 줄(joule, 기호 j), 그리고 I[A]의 전류가 R[Ω]의 저항 속을 t초 동안 흐르는 경우에는 W=I2 Rt 의 전력량이 모두 열로 되어 소비되기 때문에 이때 발생하는 열량을 H칼로리(cal)라 하면 H ≒ 0.24 I2 Rt[cal]의 공식이 유도되며 이를 줄의 법칙이라 한다
줄의 법칙이란 "전류에 의해 발생한 열은 도체의 저항과 전류의 제곱 및 흐르는 시간에 비례한다"는 법칙이다
전선의 허용전류와 퓨즈
전선의 허용전류
전선에 안전한 상태로 사용할 수 있는 전류 값이 정해져 있는데 이것을 허용전류라 한다
퓨즈 fuse
퓨즈는 단락 및 누전에 의해 과대 전류가 흐르면 차단되어 전류의 흐름을 방지하는 부품으로 전기회로에 직렬로 설치된다. 재질은 납과 주석의 합금이다
TIP
퓨즈의 단선원인
① 회로의 합선에 의해 과도한 전류가 흘렀을 때
② 퓨즈가 부식되었을 때
③ 퓨즈가 접촉이 불량할 때
④ 스위치의 잦은 ON/OFF 반복으로 피로가 누적되었을 때
⑤ 퓨즈 홀더의 접촉저항 발생에 의한 발열 때
07. 전자력
전자력의 발생
전류가 흐르고 있는 도체의 부근에 자극을 놓으면 그 자극에 힘이 작용한다. 이때 자극을 고정하고 도체를 자유롭게 움직일 수 있도록 하면 그 힘이 도체에 작용하여 도체가 움직이게 된다. 이 힘을 전자력(electromagnetic force)이라 한다
플레이밍의 왼손 법칙 Fleming's left hand rule
"왼손의 엄지손가락, 인지 및 가운데 손가락을 서로 직각이 되게 펴고, 인지를 자력선의 방향에 가운데 손가락을 전류의 방향에 일치시키면 도체에는 엄지손가락 방향으로 전자력이 작용한다."는 법칙이다.
08. 전자유도 작용
전자유도를 발생시키는 방법
◎ 도체와 자력선과의 상대 운동에 의하는 방법
자계 내에 자력선과 직각이 되도록 도체를 넣고 그 양 끝에 전류계를 접속한 후 도체를 자력선과 직각방향으로 움직이면 도체에 전류가 발생되어 전류계의 바늘이 움직이게 된다. 여기서 도체나 자석 중 어느 것을 움직여도 전류계 바늘이 움직이며, 움직이는 방향을 반대로 하면 전류계 바늘의 움직임도 반대방향이 된다.
◎ 도체에 영향하는 자력선을 변화시키는 방법
코일에 자석을 가까이 하였다가 멀리하던가, (b)와 같이 코일과 대립한 다른 코일의 전류를 증감시키든지, (c)와 같이 코일 자신의 전류를 증감하여 그 자속수를 증감시키면 코일에 기전력이 발생한다.
유도기전력의 방향
렌츠의 법칙 lenz' law
"도체에 영향하는 자력선을 변화시켰을 때 유도기전력은 코일 내의 자속의 변화를 방해하는 방향으로 생긴다." 이것을 렌츠의 법칙이라 한다
플레밍의 오른손 법칙 Fleming's right hand rule
"오른손 엄지손가락, 인지, 가운데 손가락을 서로 직각이 되고 하고 인지를 자력선의 방향에 엄지손가락을 운동의 방향에 일치시키면 가운데 손가락이 유도 기전력의 방향을 표시한다."는 법칙이다
09. 자기유도 작용과 상호유도 작용
자기유도 작용
코일(coil)자신에 흐르는 전류를 변화시키면 코일과 교차하는 자력선도 변화하므로 그 변화를 방해하려는 방향으로 기전력이 발생하는 현상을 자기유도작용이라 한다
상호유도 작용
하나의 전기회로에 자력선의 변화가 발생하였을 때 그 변화를 방해하려고 다른 전기회로에 기전력이 발생하는 현상을 상호유도 작용(mutual induction)이라 한다