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정시러 비모 [1015604] · MS 2020 · 쪽지

2023-05-10 00:23:00
조회수 4,708

스압) 테슬라의 교류와 페러데이의 전자기 유도

게시글 주소: https://orbi.kr/00062935353

작년(고1 때)에 재미로 조사하고 썼던 글이라 오류가 있을 수도 있고, 수능이랑 전혀 상관없는 글입니다! 가벼운 마음으로 읽어주시면 감사하겠습니다.



  '과학자'라는 일반인들에겐 다소 추상적인 직업을 듣는다면 누가 먼저 생각나는가? 우선, 마리 퀴리나 라부아지에, 아인슈타인 등등 유명한 사람들이 떠오를 것이다. 그렇다면 '발명가'라는 말을 듣는다면 누가 생각이 날까? 에디슨 외에 다른 인물을 생각하는 사람은 드물 것이다. 니콜라 테슬라는 역사가 잊은 천재이자 발명가이다. 동시에 물리학자, 기계공학자, 전기공학자이다. 그는 현대에 사용하는 휴대폰, 전기, 엑스레이, 전기자동차, tv 리모컨, 유도 미사일, 전략적 군사 방위 시스템 등 현존하는 실용 과학의 기반을 구축했다고 해도 과언이 아닐 정도로 많은 발명과 발상을 하였다. 이 발명가가 만든 교류란 무엇일까? 교류 전기의 탄생 배경과 관련한 에디슨과의 전류 전쟁에 대해 이야기하지 않고 넘어갈 수 없어, 에디슨과의 전류 전쟁부터 설명하겠다.



  산업혁명이 진행되고 있던 미국에서 에디슨은 매우 다양한 분야에서 연구를 진행하고 있었다. 에디슨은 직류 전기 장치로 인한 문제로 많은 고장 문의가 들어와 누전, 화재 등의 일을 수습해야만 했다. 이때 테슬라는 에디슨의 회사에서 고장 난 설비를 고치는 일자리를 얻게 되었다. 작업을 하던 테슬라는 에디슨이 만든 원시적인 발전기를 좀 더 효율적으로 작동시킬 수 있는 방법을 찾아냈다. 테슬라는 에디슨에게 발전기를 다시 만들 것을 요구하여 스물네 개의 발전기를 다시 설계하였고, 자동 조절 장치를 설치함으로써 발전기 성능을 크게 향상시켰다. 에디슨은 테슬라에게 이 프로젝트의 대가로 보너스 5만 달러를 약속했었으나 프로젝트가 완료된 후 금액을 지불하지 않았고, 이로 인해 테슬라가 회사에 사표를 내게 되었다. 에디슨의 회사를 퇴사한 테슬라는 웨스턴 유니온 전신회사의 경영자를 만나게 되어 테슬라의 이름을 딴 또 다른 회사가 세워졌다.


  새로 만든 회사에서 테슬라는 천재적인 발상들을 바탕으로 천재적인 발명품들을 만들어내며 특허를 따내자, 에디슨의 직류 시스템을 바탕으로 수많은 발전소를 보유하고 있던 웨스팅하우스는 테슬라의 발명품의 가치를 눈여겨 보게 되었다. 테슬라는 웨스팅하우스의 설비를 자신의 교류 시스템으로 바꾸게 되었다. 이로 인해 위기의식을 느낀 에디슨이 자신의 직류 전기를 지키기 위해 애완동물을 교류 전기를 이용하 잔인하게 죽인 모습으로 선전하기도 하고, 사형수들의 고문 전기의자를 교류 전기를 이용해 죽이자는 의견도 강력하게 주장하였다. 물론, 웨스팅하우스 또한 직류전기의 실체를 밝히기 위해 노력하였다. 결론적으로 이 싸움의 승자는 테슬라였고, 교류 전기 시스템이 퍼지게 되는 계기가 되었다.



  본격적으로 테슬라가 발전시킨 교류 전류에 대해 설명하겠다. 도선(전류를 잘 전달하는 물체인 도체로 만든 전선)에 따라서 흐르는 전류의 방향이 바뀌는 전류를 교류라고 한다. 아래 사진에 표시된 주기의 단위는 Hz(헤르츠)이다. 교류 전류는 전압이 고르지 않아 전기 회로에 손상을 주기도 하지만 다음 특징들로 인해 현재 직류보다 많이 사용된다.

1. 주파수가 있다.

2. 저장이 안된다.

3. + - 전극이 없다.

4. 전류의 방향이 없다.

5. 전압의 변경이 용이하다.

6. 전동기의 속도 변경이 용이하지 않다.

7. 많은 양의 전기를 사용할 수 있다.

 

  또한, 교류는 배선선로(전봇대)에 의해 공급되는  전기로  전기를 만들어 내는 원리가 코일 속에 자석이 왕복하면서 발생하므로 자석이 들어갈 때 방향, 나올 때 방향, 그리고 중간지점에서는 서로 상쇄된 0의 전기가 발생한다. 파도처럼 중간선(0 볼트 지점)을 중심으로 이쪽저쪽으로 전기가 왕복하면서 흐른다. 따라서 전구를 연결하면 계속해서 깜박이지만 깜박거리는 속도가 빨라 보이지 않을 뿐이다. 전구의 경우에는 그냥 사용해도 별 문제없지만 컴퓨터, TV 등 켜졌다 꺼졌다를 반복하면 곤란한 기기들은 교류를 직류로 변환하는 장치를 사용한다. 


  교류는 전자기 유도현상을 이용해서 쉽게 전압을 변환할 수 있어서 멀리까지 전력을 보낼 수 있어  직류보다 더 편리하다. 회전 운동으로 만들어지는 전기는 거의 교류라고 보면 편하다. 전압 변환이 쉽다는 것이 전력 전송에 유리한 이유는 전선을 통해 전기를 보낼 때에는 전류(A)가 많이 흐를수록 손실이 크기 때문에 가급적 전류량을 작게 하는 것이 손실을 줄일 수 있어서 좋기 때문이다. 전압 변환을 할 때에는 전력은 단위 시간당 전기에너지의 양을 나타낸다고 볼 수 있으며, 전력을 유지하면서 전압과 전류가 서로 반비례하는 관계를 가지고 변화하게 된다. 교류의 경우 전압 변환이 쉽기 때문에 같은 양의 전력을 보내더라도 전압을 높이고 전류를 낮춰주어 효율적으로 전력을 전송할 수 있는 것이다.



  여기까지 적었지만 생각보다 개념에 대해 무지하다는 것을 알았다. 그런 의미에서 전자기 유도와 '전류, 전압, 저항, 전력'에 대해서 모자랐던 개념을 더 보충할 의미로 추가 조사했다. 우선, 단위에 사용되는 기호는 [전압 - V, 전류 - A, 저항 - Ω, 전력 - W]. 전기회로에서 간단하게 표기한 기호는 [전압 - V, 전류 - I, 저항 - R , 전력 - P].

많이 헷갈렸는데 괜찮게 정리한 표가 있어서 가져왔다. 이거라도 제대로 외워보자! 그리고 각 용어들의 의미는 아래와 같다.


전압 - 전류를 흐르게 하는 능력

전류 - 전하(전기를 띠는 입자)의 흐름

저항 - 전류의 흐름을 방해하는 정도


  전압이 커지거나 전류의 흐름을 방해하는 정도인 저항이 작아진다면 더욱 센 전류가 흐른다.  정리하면 회로에 흐르는 전류는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다. 이게 그 유명한 옴의 법칙이다.


  전류는 1초 동안 공급하거나 소비한 전기 에너지로 전압과 전류를 곱하여 구한 것이다. 단위는 W(와트)이다. P = VI 뒤에 이어지는 같은 식들은 [V=IR을 대입, I=V/R을 대입]해서 정리한 것들이다. 



  전자기 유도현상에 대해 알아보니 페러데이 법칙과 렌츠 법칙으로 나뉘어 있다. 렌츠 법칙은 패러데이가 발견한 이 전자기 유도 현상에 대해 더욱 자세히 연구한 결과인 것을 미리 전제로 하고 조사를 하겠다. 우선, 렌츠 법칙은 아래 사진으로 쉽게 이해할 수 있다. 한 마디로 전자기 유도 현상에 의해 생기는 유도 전류의 방향은 자기장의 변화를 상쇄하려는 방향으로 나타난다는 법칙이다.



V - 전자기 유도에 의해 코일 양쪽에 생기는 전압. 즉, 전류를 흐르게 하는 원인인 유도기전력의 세기


N - 도선의 감은 수


Φ - 자속(단위 면적을 지나는 자기력선의 수로써 면적에 자기장의 세기를 곱한 값)


t - 시간


Δt/ΔΦ - 단위시간 당 자기선속의 변화


왼쪽의 사진에서 페러데이는 자석의 자기장이 코일에 전류 흐름을 유도하는 실험을 했다. 이 때 몇 가지 특이한 현상들이 있었다.

 

1. 자석이 움직일 때만 검류계 바늘이 움직임

2. 코일을 많이 감을수록, 자석의 이동을 빠르게 할수록, 자석의 세기를 증가시켜줄수록 바늘이 큰 폭으로 움직임

3. 자석이 코일에 들어갈 때와 나올 때 바늘의 움직이는 방향이 바뀜


패러데이는 이 세 가지 상황을 종합하여 위 같은 '패러데이 법칙'을 완성하였다.


  전류가 흐른다는 건 회로에 전압이 생겼다는 걸 의미한다. 건전지를 연결하지 않았음에도 불구하고 전류가 흐르고 있는 것으로 건전지 대신에 전압의 역할을 하는 것이 있다는 의미이고, 자석을 움직였을 때 전류가 흐르니까 '변화하는 자기장'이 전압을 유도했다는 인과 관계를 알 수 있다. 이때 변화하는 자기장에 의해서 만들어지는 전압을 '유도 기전력[V]'이라고 한다. 따라서 위의 패러데이 법칙은 유도 기전력[V]의 세기가 어떤 변수에 의해서 결정되는지 알려주는 식이다.


  바늘이 큰 폭으로 움직인다는 건 전류의 세기가 세졌다는 걸 의미한다. 전압(유도 기전력)이 커지면 전류의 세기가 강해지므로 코일을 많이 감을수록 바늘이 큰 폭으로 움직였다는 건 유도 기전력의 세기가 코일을 감은 횟수 N에 비례한다는 의미이다. V∝N


자석의 이동을 빠르게 한다는 건 시간당 변화하는 자속의 비율을 증가시킨다는 의미이므로 자석의 이동이 빠를수록 전류가 많이 흐르는 것으로 측정되니 유도기전력의 세기는 시간당 변화하는 자속의 비율에 비례한다고 말할 수 있다. V∝△Φ/△t  (Φ: 자속)



  반대로 N극을 코일로부터 멀리해도 자속이 감소하는 변화를 거치기 때문에 자속의 시간 변화율 항이 생겨서 유도 기전력이 생긴다. 또 자석이 가만히 있고 코일을 움직여도 자속의 시간 변화율이 생긴다.

  즉, 자석과 코일 간에 상대적인 움직임이 생긴다면 코일을 통과하는 자속이 변하게 되고, 이러한 자속의 시간 변화율이 유도 기전력의 세기를 결정하지. 만약에 자석이나 코일이 움직이지 않고 가만히 있다면 코일을 지나는 자속이 시간에 따라 변하지 않기 때문에 자속의 시간 변화율이 0이 되어버려서 유도 기전력이 생기지 않게 되므로 페러데이의 법칙의 식처럼 나오게 되는 것이다. 

  자속의 시간 변화율이 커지면 커질수록, 코일을 감은 횟수가 크면 클수록 유도 기전력이 세져 더 센 전류가 흐를 수 있음을 충분히 예측할 수 있는데, 이때 흐르는 전류를 '유도전류'라고 한다. 

  마지막으로 페러데이 법칙에서 N 앞의 (-)는 자석이 코일에 들어갈 때와 나올 때 바늘의 움직이는 방향이 바뀌기 때문에 존재하는 것이다.

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