전기 저항체의 발열 원리 Why resistor makes heat?

일반적으로 전기 저항 발열체의 발열 원리를 "저항이 높기 때문"이라고 말하는 데 저항이 높으면 전류가 잘 흐르지 못하는 데 왜 열이나느냐는 의문에 휩싸이게 됩니다.

전기 저항에 의한 발열체의 작동 원리는,

적절한 전기 저항을  유지하여 너무 많은 전류가 일시에 흐르지 않도록 하여 서서히 열이 나게 하는 것 입니다.

예를 들어 전선을 콘센트의 두 단자에 연결하면 순간적으로 대단히 큰 전류가 흘러 전선이 녹아서 끊어집니다. 이런 현상을 "전기쇼트" 라고 하는 데 전선에도 작지만 저항이 있고 (일시에 흐르는 엄청 큰 값 인) 전류의 자승과 저항값을 곱한 주울열이 발생하여 전선이 녹아 터지는 것 입니다.

이렇게 전기 저항값이 작은 전선은 (일시에 전류가 흘러) 발열체가 될 수 없고 전기 저항이 일정 이상인 물체는 전류를 적절히 제한하여 발열체로 사용될 수 있는 것 입니다.

모든 저항 소자는 저항-온도 특성을 갖습니다.

온도가 올라가면 저항값이 크지는 정 특성을 가진 물체도 있고 반대로 저항이 낮아지는 부 특성을 가진 물체도 있습니다.

전기 저항에 의한 발열체로 많이 사용하는 니크롬선은 정 특성을 가진 물체로 온도가 올라가면 저항이 크져서 흐르는 전류를 점점 적게하므로 발열체로서의 안정된 특성을 가지고 있습니다.

어떤 발열체의 온도가 올라가면 주위 공기를  덥히게 되는 데 초기에는 온도차가 크기 때문에 공기에 의한 급격한 냉각으로 온도가 쉽게 올라가지 못하지만 주위 공기가 점점 따뜻해 지면 온도차가 적어 그만큼 냉각이 덜 이루어지므로 외견상 시간이 지날 수록 서서히 온도가 올라가는 것 처름 보이는 것 입니다.

니크롬선의 저항은 정 특성을 가지므로 실제 니크롬선의 소비전력은 온도가 올라감에 따라 서서히 감소합니다.

아래의 표를 참고하시기 바랍니다.

Increase in resistance with temperature^[3]

°F	°C	NiCrA	NiCrC
68	20	0	0
600	315	3.3%	5.2%
1000	538	6.3%	8.6%
2000	1093	6.0%	10.5%

NiCrA

화학적 조성비: 80% Ni, 20% Cr

융점: 1400°C

NiCrC

화학적 조성비: 61% Ni, 15% Cr, bal.(나머지) Fe

융점: 1350°C

자료 출처: http://en.wikipedia.org/wiki/Nichrome

충전 드릴에 사용되는 Over Night Charger와 1 Hour Charger

닉켈-카드늄 방식의 배터리를 사용하는 충전 드릴의 충전기로서 내부에 트랜스가 들어있는 직류 아답터 방식의 충전기는 가정용 또는 비 전문가용으로 분류할 수 있다. 이러한 충전기는 보통 “Over Night Charger”라고 부르는 데 저녁에 충전을 시작하여 다음날 아침쯤 이면 충전이 완료된다고 하여 이런 이름이 붙었다.

이와는 대조적으로 배터리를 뽑아서 충전기에 연결하여 충전하는 방식의 충전기는 보통 1시간 내외에 충전이 된다고 하여 “1 Hour Charger”라고 부르며 한 개의 스페어 배터리가 있으면 충전된 배터리를 교환하면서 연속으로 사용할 수 있어 전문가 용 충전기라고 말 할 수 있다. 닉겔-카드늄 배터리는 비교적 과전류 충전/방전에 강하기 때문에 이런 방식의 충전이 가능하다.

문제는 직류 아답터 방식의 충전기가 고장 나거나 분실 되었을 때 대체할 충전기로서 SMPS 방식(또는 과도한 전압의 아답터)의 전원 장치를 충전용으로 사용하는 경우가 있는 데 이는 배터리를 망가뜨리는 확실한 지름길 이라는 것을 말하고 싶다.

트랜스 방식의 충전기의 경우 충전 초기에 배터리 전압과 전원 사이의 전압 차이가 크서 흐르는 충전 전류는 비교적 크지만 시간이 흘러 충전이 진행됨에 따라 배터리의 전압이 상승하여 그 차가 적어지면서 충전 전류도 점점 줄어 충전 말기에는 거의 1/10 C(주_1) 정도에 이르게 되고 충전이 완료된 후에도 이 정도의 전류가 계속 흐르게 된다. 이때 흐르는 전류는 배터리의 충전에 사용되지 못하고 배터리 내부의 물을 전기분해 하는 데 사용되어 양 극에서는 수소와 산소가 발생하나 밀폐된 공간이므로 수소와 산소는 즉시 재결합하여 물로 돌아가기 때문에 충전기를 뽑기 전까지 이런 현상이 반복되는 것이다.

만일 트랜스 방식이 아닌 SMPS 방식의 전원 장치를 연결하여 충전 하였을 때는 충전 말기에 너무 과도한 전류가 계속 흘러 급격히 발생한 수소와 산소로 인하여 미처 물로 돌아가지 못한 가스로 인하여 배터리 내부의 압력이 증가하고 이 압력이 일정 수준 이상이 되면 배터리에 설치된 비상 배기 밸브가 열려 수소와 산소 가스와 함께 전해액이 외부로 분출되게 되고 결과적으로 배터리의 용량이 감소하는 것이다.

오래된 배터리의 경우 +극 단자 부근에 묻어있는 흰색 가루를 볼 수 있는 데 이는 그 배터리의 전해액이 흘러 나왔다는 것을 증명하고 상당한 용량 감소가 이루어진 것을 의미한다.

주_1: C는 Ah 값으로 표시된 배터리의 용량(Capacity)를 의미하는 것이다.


닉겔-카드늄 배터리에 관한 자세한 내용은 내 블로그의  다른 페이지 내용을 참고하시기 바랍니다.