[기초 물리] 6-2 전기에너지 이용

전동기는 전류가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치입니다. 흔히 우리가 말하는 모터가 전동기입니다. 직류 전기로 회전하는 직류 전동기(DC 모터)와 교류 전기로 회전하는 교류 전동기(BLDC 모터)가 있습니다.

직류 전동기는 겉에 반원통 모양의 영구 자석 두 개가 들어 있고, 그 안에 여러 번 감긴 코일이 들어 있습니다. 코일 중앙에는 회전축이 있고, 회전축 한쪽에 전류가 흐르는 정류자와 브러시가 있습니다. 이때 전류자는 원통형 금속으로, 코일과 직각을 이루는 중강 부분이 끊어져 있어 코일에 흐르는 전류의 방향을 바꿀 수 있습니다. 브러시는 탄성이 있는 금속으로, 정류자가 회전하는 동안 계속 정류자와 접촉하여 전류를 흐르게 합니다. 브러시와 정류자가 접촉해 있으므로 마모가 일어나 내구성이 떨어집니다.

직사각형 코일의 AB 부분이 N극 쪽에 있을 때 전류가 B -> A방향으로 흐르면 코일의 AB 부분은 위 방향으로 힘을 받습니다. 만약 정류자(Commutator)가 없다면 AB 부분이 회전하여 S극 쪽으로 왔을 때 전류가 B ->A 방향으로 흐르므로 AB 부분은 계속 위 방향으로 힘을 받게 됩니다. 이렇게 되면 코일은 회전하지 못하고 중간 부분에서 진동만 하게 됩니다. 이런 현상이 일어나지 않도록 AB 부분이 N극과 S극으로 넘어갈 때 전류를 잠시 끊고 전류의 방향을 바꾸는 역할을 하는 정류자가 필요합니다. 정류자는 중간에 부도체로 된 면이 있어 순간적으로 전류의 방향을 바꿀 수 있습니다.

자기장 B 속에 직사각형 코일이 있고, 정류자를 통하여 직류 전류를 흘려주면 코일은 두 변에 자기력을 받습니다. 이때 자기력의 크기는 다음과 같습니다.

F=BIL (F: 자기력, B: 자기장, I: 전류, L: 코일 길이)

코일을 많이 감을수록 토크의 크기도 감은 횟수에 비례하여 커집니다. 직류 전동기는 각종 장난감이나 소형 가전제품에 사용되고 가정에 들어오는 전기는 교류이므로 소형 변압기를 활용해 12V나 5V 정도로 전압을 낮춘 후 직류로 바꾸어 사용합니다.

교류 전동기는 가장자리에 자기장을 만드는 코일이 들어 있고, 그 안에 자기력을 받아 회전하는 금속 막대를 원통 모양으로 엮은 회전자가 들어 있습니다. 직류 전동기처럼 정류자나 브러시가 없기 때문에 구조가 더 간단하고 마모되는 부분도 거의 없어 내구성이 좋습니다.

기본원리는 금속판의 한쪽에 자석을 놓고 금속판을 다라 자석을 회전시키면 금속판에 와전류(맴돌이 전류)가 흐르면서 금속판이 자석의 회전 방향으로 움직이게 됩니다. 마찬가지로 말굽자석 사이에 구리 막대로 된 회전자를 넣고 말굽자석을 회전시키면 회전자가 말굽자석이 회전하는 방향을 따라 회전하게 됩니다. 실제 교류 전동기에서는 자석을 돌리지 않고, 가장자리에 코일을 여러 개 설치하여 코일에 흐르는 전류를 변화시켜 코일이 만드는 자기장을 연속적으로 변화시킴으로써 마치 자석이 회전하는 것처럼 자기장을 만들어 회전자를 회전시킵니다.

교류 전동기는 냉장고, 세탁기, 선풍기, 청소기, 드릴, 믹서기 등에 사용됩니다.

조명 기구는 전기 에너지를 빛 에너지로 전환하는 장치입니다. 예전에는 백열등이 주로 사용되었으나 최근에는 형광등과 발광 다이오드(LED)가 많이 사용됩니다.

백열등은 우리구 안에 필라멘트가 들어 있고, 전구를 고정하기 위한 금속으로 된 나사 부분과 필라멘트를 받쳐 주어 전류를 공급하는 전선으로 구성되어 있습니다. 유리구 안에는 아르곤과 질소가 8:2 비율로 혼합한 기체를 넣어 필라멘트의  온도가 높이 올라가도 타지 않도록 합니다. 필라멘트에 전류가 흐르면 저항에 의해 열이 발생하여 필라멘트의 온도가 높아집니다. 이때 일정 온도 이상이 되면 필라멘트에서 빛이 방출됩니다. 일반적으로 필라멘트의 온도는 2500도까지 올라가고 밝은 연노랑색을 띱니다. 방출되는 빛이 따뜻하고 부드러운 느낌을 주는 장점이 있지만 전기 에너지의 대부분을 열로 방출하고 빛으로 전환되는 비율이 5% 정도밖에 되지 않기 때문에 에너지 효율이 매우 낮습니다. 이를 개선하기 위해 형광등이 발명되었습니다.

형광등은 양쪽 끝이 봉해진 가느다란 유리관 속에 아르곤, 네온, 크립톤 기체가 대기압의 0.3% 정도의 압력으로 들어 있습니다. 또 유리관 안에 액체 수은 한 두 방울 정도가 들어 있는데 일부는 증발하여 수은 증기가 됩니다. 형광등은 백열등처럼 외부 전기를 바로 전극에 연결하지 않고 안정기를 직렬로, 점등관을 병렬로 연결합니다. 안정기는 너무 높은 전류가 흐르지 않도록 전압을 안정적으로 유지시켜 주는 장치입니다. 점등관은 전류를 끊어 순간적으로 높은 전압을 만들어 형광등 내에 전기 방전이 일어나도록 하는 장치입니다. 양쪽 전극에 고전압을 걸어 전기 방전이 일어나면 전자가 방출되어 날아갑니다. 이때 날아가는 전자가 수은 원자와 강하게 충돌하며 수은 원자의 전자가 들뜬상태가 되었다가 바닥상태로 전이하면서 빛을 방출합니다. 방출된 자외선의 파장은 254 nm 정도로 우리 눈에 보이지도 않고 유리를 통과하지 못합니다. 이 자외선은 형광등 안에 발라진 형광 물질에 부딪쳐 가시광선으로 바뀝니다.

형광등의 색에 푸른빛이 많이 들어 있어 차가운 느낌을 줍니다. 에너지 효율을 약 20%로 백열등의 4배 정도입니다.

발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode)는 다른 반도체 소자와 마찬가지로 실리콘에 갈륨, 인듐 등을 첨가하여 만든 p형 반도체와 인, 비소 등을 첨가하여 만든 n형 반도체를 접합하여 만듭니다. 발광 다이오드에 전압을 걸어 주면 전도띠에 있는 자유 전자가 양공이 있는 원자가띠로 이동하여 그 에너지 차이에 해당하는 빛을 내게 됩니다. LED는 만드는 재질에 따라 에너지 준위가 다르기 때문에 다양한 색의 빛을 내게 됩니다. 처음에는 붉은색 빛을 내는 LED가 개발되었고, 그 후 황색, 녹색, 청색, 백색 LED가 개발되었습니다. LED는 각종 전기 기구의 표시등, 영상 표현 장치 등에 이용됩니다. 수명이 길고 에너지 효율이 높으며 크기가 작은 장점이 있습니다.

전열기는 전기 에너지를 열에너지로 전환하는 기구입니다. 전열기에 들어 있는 저항은 전류가 흐를 때 열을 발생시킵니다. 전열기에는 가정용으로 전기난로, 전기주전자, 전기밥솥, 전기담요, 헤어드라이어 등이 있습니다. 전기가 흐르는 도선에 저항을 연결하면 저항은 전력을 사용하고, 이때 전기 에너지는 열에너지로 전환됩니다. 전기난로는 열이 발생하는 저항체를 방열판으로 둘러싼 형태입니다. 가변 저항을 이용하여 전력량을 조절해 발열량을 조절할 수 있습니다. 또 저항체가 외부로 노출되어 가시광선을 포함한 근적외선을 방출하는 것도 있습니다. 저항체 두 개를 병렬로 연결하고 발열하는 저항체의 개수로 발열량을 조절할 수 있습니다. 헤어드라이는 열이 발생하는 저항체와 바람이 나오도록 하는 팬이 달리 전동기로 구성되어 있습니다. 저항체를 병렬로 연결하여 발열하는 저항체의 개수로 헤어드라이어에서 나오는 바람의 온도를 조절할 수 있습니다.