[기초 물리] 6-1 전기에너지 생성 및 수송 (와전류, 변압기)

기전력(Electromotive force)은 이탈리아의 과학자 볼타에 의해 (+) 전화와 (-) 전하를 분리시켜 전류가 흐르게 하는 힘이란 정의로 사용되었습니다. 그러나 이후 과학자들은 이것이 힘이 아니라 전압이라는 것을 알게 되었죠. 기전력은 여러 가지 방법으로 발생시킬 수 있습니다. 역학적 에너지를 이용한 발전기, 태양광 에너지를 이용한 태양광 발전, 화학 에너지를 이용한 화학 전지, 온도 차를 이용한 온도 차 발전 등 다양한 방법으로 기전력을 발생시킬 수 있습니다. 전기 에너지를 만드는 방법에 대해 좀 더 알아보겠습니다.

소형 발전기는 원통의 가장자리에 원형 자석이 들어 있고, 그 안에 코일이 감긴 철심이 들어 있습니다. 코일이 감긴 철심의 한쪽에는 코일을 회전시키기 위한 장치가 달려 있고, 다른 한쪽에는 발생한 전류가 흐르는 브러시가 달려 있습니다. 자석 사이에서 코일을 회전시키면 코일을 통과하는 자기력 선속이 계속 변하므로 전자기 유도 현상이 일어나 전류가 계속 흐르게 됩니다. 이런 원리로 자석 사이에서 코일을 회전시키면 전기가 생산됩니다.

원형 도선에 자석의 N극을 아래에서 접근시키면, 도선을 통과하는 위쪽 방향의 자기력선속이 증가합니다. 이에 따라 자기력 선속의 변화를 방해하기 위해 도선에는 왼쪽 방향으로 유도 전류가 흐릅니다. 이때 유도 전류에 의한 자기장의 방향이 자석에 의한 자기장의 방향과 반대이므로, 원형 도선은 위쪽으로 자기력을 받아 움직이게 됩니다. 한편 원형 도선 대신 구리 원판을 놓고 자석의 N극을 아래서 접근시키면, 구리 원판에서도 자기력 선속의 변화를 방해하는 유도 전류가 흐르게 됩니다. 이 구리 원판에는 원형 도선처럼 전류가 흐르는 길이 정해져 있지 않아 내부에 무수히 많은 소용돌이 모양의 유도 전류가 흐르게 됩니다. 이러한 전류를 맴돌이 전류 혹은 와전류 (eddy current)라고 합니다. 이 경우에도 유도 전류에 의한 자기장이 자석에 의한 자기장과 반대가 되어 구리 원판은 자석의 반대 방향으로 자기력을 받아 움직이게 됩니다. 이번엔 사각 구리판을 놓고 자석을 오른쪽으로 이동시키면 자석의 운동을 방해하는 유도 전류가 흐르게 됩니다. 구리판의 왼쪽 부분은 자석으로부터 인력을 오른쪽 부분은 척력을 받습니다. 이 힘들의 합력에 의해 구리판은 자석의 운동 방향으로 힘을 받습니다. 이런 원리를 이용해서 금속 탐지기에 금속을 가까이 가져갈 때 금속에서 발생하는 와전류에 의한 자기장의 변화를 감지하여 금속의 유무를 확인합니다. 또 자이로드롭이 낙하할 대 좌석 뒤의 긴 말굽자석이 중앙의 거대한 금속 원통에 전자기 유도 현상을 일으킵니다. 이때 발생한 와전류에 의한 자기력으로 자이로드롭의 낙하 속력을 감소시킵니다.

연료의 화학 에너지가 열에너지로 전환되고, 다시 수증기의 운동 에너지로 전환되었다가 발전기를 돌려 전기 에너지로 전환됩니다. 또 수력 발전소는 댐의 물이 가진 퍼텐셜 에너지가 운동 에너지로 전환되었다가 발전기를 돌려 전기 에너지로 전환되고 원자력 발전소는 핵연료의 핵에너지가 열에너지로 전환되고, 다시 수증기의 운동 에너지로 전환되었다가 발전기를 돌려 전기 에너지로 전환됩니다. 이 처럼 서로 다른 에너지가 전환되어 발전기를 통해 전기가 생성됩니다. 그러나 대부분의 발전소는 전기를 소비하는 곳으로부터 멀리 떨어져 있기 때문에 송전선의 길이가 매우 깁니다. 송전선이 비록 비저항이 작은 구리나 알루미늄으로 되어 있지만 송전선의 길이가 길고 많은 전류가 흐르기 때문에, 송전선의 저항에 의해 열이 발생하여 주위 공간으로 흩어지게 됩니다. 따라서 송전선에서 전기 에너지의 일부가 손실됩니다. 전압, 전류, 전력의 관계는 다음과 같습니다.

손실 전력은 송전선의 저항이 클수록, 송전선의 흐르는 전류가 셀수록 큽니다. 송전선에서의 손실 전력을 줄이기 위해 저항을 작게하면됩니다. 즉, 길이를 줄여야 되지만 발전소를 도시 근처에 건설할 수 없어 길이를 줄일 수 없습니다. 전선의 단면적을 키우면 저항이 줄어들게 됩니다. 그러나 송전선이 굵어지면 무거워져서 송전탑이 지탱하기 힘듭니다. 다라서 송전탑이 지탱할 수 있는 힘과 무게를 고려하여 굵기를 정해야 합니다. 또는 비저항이 작은 구리나 은과 같은 도체로 만듭니다. 재질의 밀도와 가격을 고려해서 선정을 해야 합니다.

1980년대까지 우리나라는 110 볼트를 사용했습니다. 하지만 이후 220 볼트를 사용했는데 이 이유가 손실 전력을 줄이기 위한 방법이었습니다. 송전 전력이 일정할 때 전압을 높이면 전류가 작아지기 때문에 손실 전력을 제곱의 비율로 줄일 수 있습니다. 따라서 발전소에서 생산한 전기의 전압을 초고압 변전소에서 높인 후 송전선을 통해 소비지 근처로 보내고 소비지 근교의 1차 변전소에서 낮추어 보내면 2차 변전소에서 다시 전압을 낮추어 집 근처로 보냅니다. 그리고 집 근처 전봇대에 설치된 주상 변압기에서 최종적으로 전압을 낮추어 가정이나 소규모 공장 등으로 보냅니다.

그럼 변전소에는 어떻게 전압을 바꾸는지 알아보겠습니다. 전자기 유도 현상을 이용하여 교류 전압을 높이거나 낮추는 장치를 변압기(transformer)라고 합니다.

변압기는 1차 코일과 2차 콜에 철심을 넣어 전자기 유도 효과가 크게 일어나도록 만든 것으로, 1차 코일에 교류 전류를 흘려주면 전류의 세기가 계속 변하므로 전자기 유도에 의해 2차 코일에 유도 기전력이 발생합니다. 변압기에 철심을 사용하는 것은 코일을 통과하는 자기력 선속을 증가시키고 1차 코일에서 발생된 자기력 선속이 모두 2차 코일을 통과하도록 하는 것입니다. 1차 코일과 2차 코일의 감은 수를 각각, N1, N2, 1차 코일에 주어진 전압을 V1, 2차 코일에 유도되는 기전력을 V2라고 하면 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

즉, 변압기의 1차 코일과 2차 코일의 감은 수의 비를 적절히 조절하면 교류 전압을 높이거나 낮출 수 있습니다. 에너지 손실이 없는 이상적인 변압기에서는 에너지 보존 법칙에 따라 1차 코일에 공급되는 전력과 2차 코일에서 유도되는 전력은 같아야 합니다. 다라서 1차 코일과 2차 코일에 흐르는 전류는 각각 I1, I2라고 하면 가 되므로 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

변압기에서 전력 손실에는 동손(copper loss)과 철손(iron loss) 및 히스테르시스(hysteresis) 손실이 있습니다. 동손은 감은 선을 지나는 교류에 의한 것이고, 철손은 철심 내의 와전류에 의한 것입니다. 도 히스테르시스 손실은 교류에 의해 철심에 주기적으로 방향이 변하는 자화가 일어나기 위한 에너지 손실로, 1주기 사이의 손실량은 자기 이력 곡선으로 둘러싸인 부분의 면적에 비례합니다.