정상전류

정상전류란 시간에 따라 크기와 부호가 변하지 않는 전류를 의미한다.

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직류란 방향이 일정한 전기의 흐름을 말한다. 일반적으로 직류의 크기가 일정할 필요는 없고, 크기가 일정한 직류를 정상전류라고 부른다. 정상상태라고 해서 전하의 이동이 없는 정적 상태라는 의미는 아니고, 단지 전류값이 일정하여 시간에 따라 요동치는 맥동전류와 대비되는 개념으로 쓰인다. 종종 크기가 일정한 전류만을 직류라고 부르기도 한다. 일반적인 직류의 시간에 대한 크기 변화를 그림 1에 나타내었다. 직류의 개념은 그림 1에서처럼 흔히 건전지와 저항으로 이루어진 간단한 회로로부터 쉽게 알 수 있다. 건전지는 내부의 전해질 안에서 수명 전까지 일정한 반응량과 방향성을 가지고 일어나는 화학 반응을 이용하여 기전력을 일으키는 장치로서, 건전지의 기전력 크기와 회로의 저항 크기의 비가 바로 직류의 전류 값이 된다. 만일 건전지와 일정한 크기의 저항이 있는 그림 1과 같은 회로에서 발생하는 직류는 정상전류이다. 그림 1에서 시간에 따라 크기가 변하지 않아 수평선을 그리는 전류가 정상전류이고, 시간에 따라 맥박이 뛰듯이 크기가 변하는 전류가 맥동전류이다.

직류에 배치되는 개념으로서, 시간에 따라 전류 부호가 바뀌는 교류가 있다. 직류는 직류발전기나 건전지 등 직류전원에서 얻을 수 있고, 교류로부터 정류기를 통해 변환하여 얻을 수도 있다. 실제로 수많은 전자 제품이 교류를 받아 어댑터를 통해 낮은 전압의 직류로 변환하여 제품 내부의 회로에 이용하고 있다.

그림 1. 맥동전류와 정상전류, 그리고 일반적 직렬 회로의 개요도 (출처:한국물리학회)

일정한 전위차가 일정 크기의 저항에 인가되면 정상전류가 흐른다. 저항값이 0인 도선에 건전지를 연결한다면 옴의 법칙에 의해 무한대의 전류가 흐를 것으로 생각할 수 있지만, 실제로는 0이 아닌 전위차를 저항값 0인 저항에 인가할 수 없다. 축전기의 경우, 직류에게는 단지 서로 떨어져있는 두 도체판에 불과하므로 끊어진 두 선과 같다. 따라서 축전기에 전압이 인가된 순간으로부터 축전기에 전하가 축적되는 짧은 시간 동안을 제외하면, 전류는 흐르지 않는다. 코일의 경우, 정상전류에게는 단지 꼬여서 자기장의 효과에 민감한 도선에 불과하다. 패러데이 전자기유도 법칙에 의하면 유도기전력이 전류 자체가 아닌 전류의 변화에 의해서만 나타나므로, 코일에 전압이 인가된 순간으로부터 전류값이 증가하는 짧은 시간 동안을 제외하면, 저항이 0인 도선과 아무런 차이가 없다.