문명과 에너지 ④ {변압기}

2024.09.10 - [2024 통합과학 톺아보기] - 문명과 에너지 ③ {송전과 에너지 보존 법칙}

문명과 에너지 ③ {송전과 에너지 보존 법칙}

판서 조직도

 

전기 에너지의 효율적인 수송이 이루어지기 위해서는 전압의 크기가 자유자재로 변해야만 했습니다. 이처럼 전압의 크기를 변화시켜 주는 과정을 변압이라 합니다. 19세기, 전력 공급 체계를 두고 벌였던 전쟁에서 테슬라가 에디슨보다 우위를 점할 수 있었던 이유는 변압이 교류 발전에서만 가능하고 직류 발전에는 가능하지 않았기 때문인데요. 그 이유에 대해 공부하는 시간입니다.

 

2. 전기 에너지의 수송

2) 변압기

변압기는 전압을 변화시켜 주는 장치로써 그 작동 원리는 전자기 유도입니다.

 

그림과 같이 변압기는 ㅁ자 형태의 철심에 코일을 감은 구조입니다. 쉬운 이해를 위해 ㅁ자 형태의 철심을 오른쪽 그림처럼 일렬로 펴보겠습니다.

 

① 1차 코일에서의 생산 전력

발전소에서 생산되는 전력 P는 1차 코일에 걸리는 전압 V1과 1차 코일에 흐르는 전류 I1의 곱으로 정의됩니다. 비유하자면 발전소에서 생산되는 전력이 1차 코일에 머물러 있는 형태입니다. 이 머물러 있는 생산 전력을 송전하기 위해 가공 처리하는 작업이 2차 코일에서 일어납니다. 

 

② 2차 코일에서의 가공 전력

1차 코일에 흐르는 "전류 I1에 의해서 코일 내부에 자기장 B가 생성"됩니다. 이 자기장 B는 철심을 따라 2차 코일에게까지 영향을 미칩니다.

 

2차 코일에 흐르는 전류의 방향을 위아래로 표시한 이유는 자기장의 변화 경향에 따라 전류가 흐르는 방향이 바뀌기 때문에 한 방향으로 정하지 않기 위함임

 

이때 "자기장 B가 변화한다면 2차 코일에서 전자기 유도가 발생"하기 때문에 2차 코일에 유도 기전력 V2가 생성됩니다.

 

패러데이 법칙에 따라 유도 기전력의 세기는 코일을 감은 횟수에 비례합니다.

 

 

따라서 손실 전력을 줄이기 위해 고전압으로 승압하는 변압기의 코일은 많이 감겨있고, 가정으로 들어올 때 저전압으로 감압하는 변압기의 코일은 적게 감겨 있습니다.

 

③ 교류 발전에서만 변압이 가능한 이유

변압의 원리는 전자기 유도입니다. "전자기 유도"란 "변화하는 자기가 전기를 만드는 현상"이에요. 여기서 포인트는 변화하는 자기장입니다. 즉, 2차 코일에 자석을 넣었다 뺐다 하는 효과가 나타나야 한다는 것이고, 그러기 위해선 1차 코일에 흐르는 전류의 방향과 크기가 바뀌어야 한다는 걸 의미합니다. 이러한 전류 형태는 교류 발전에서만 가능합니다.

 

반면 직류 발전에서는 전류의 크기와 방향이 고정되어있다 보니 아래 그림처럼 자석이 정지해 있는 형태입니다.

 

따라서 변압을 이용한 송전 과정은 에디슨의 직류 발전에서는 가능하지 않았고 테슬라의 교류 발전에서는 가능했습니다.

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교류 발전의 유용성에 대해 확신을 갖고 있던 테슬라는 에디슨에게 교류 발전을 추천합니다. 그러나 에디슨은 이미 직류 발전에 거액을 투자해 놨기 때문에 그의 의견을 만류하고 직류 발전을 고집합니다. 테슬라는 결국 회사를 그만두고 교류 발전의 특허를 웨스팅하우스에 팔면서 그 유명한 전류 전쟁의 서막이 열리게 됩니다.

 

 

직류 발전에서의 송전 효율을 높일 수 있는 기술이 필요했지만 이를 개발하는 것이 불가능하다고 판단했던 에디슨은 결국 테슬라의 교류 발전에 대한 마타도어를 구사하는, 속된 말로 억까 시전을 합니다.

 

 

에디슨은 교류 발전이 직류 발전보다 위험하다는 것을 강조하기 위해 개와 고양이를 교류 전기로 감전시켜 죽이는 것을 대중들에게 스스럼없이 보여주는가 하면 더욱 극적인 장면을 연출하기 위해 사형수를 전기의자에 앉혀 죽이기도 했습니다. 게다가 고전압 송전으로 손실 전력을 줄이는 교류 발전의 장점을 원천적으로 차단해 버리기 위해 송전압을 800V 이하로 제한하는 법을 만들기 위한 로비활동까지 펼칩니다.

 

 

이런 에디슨의 꼼수에 가만히 당하고만 있을 테슬라가 아니었어요. 그는 몇 백만 볼트의 교류 발전기 옆에 앉아 시크하게 책을 읽고 있는 장면을 연출함으로써 교류 발전의 위험성에 대한 주장을 일축합니다.

 

나이아가라 폭포의 테슬라 동상

 

이후에 교류 발전에 대한 여러 박람회를 성공적으로 마친 테슬라는 기세를 몰아붙여 나이아가라 발전소 사업 수주에 뛰어듦으로써 에디슨과의 전면전을 준비합니다. 결국 테슬라는 에디슨을 꺾고 계약을 따내는 데 성공합니다. 이를 계기로 교류 발전 체계가 전력 공급의 표준이 되었어요.

 

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억까의 역설

건강한 사람은 건강을 의식하며 살아가지 않습니다. 몸이 아프고 나서야 건강한 삶에 대해 의식하게 되죠. 문벽에 발을 찧어 고통이 밀려올 때면 그전까지 자기 발에 이상이 없었음을 인식하게 되는 것처럼요. 우리의 인생 또한 평상시에는 내가 어디로 가고 있는지, 무엇이 되고자 하는지 본인 스스로 의식하지 못하다가 살아있음을 후회하게 만드는 그릇된 현실과 나를 고통스럽게 만드는 대상의 출현, 속된 말로 억까를 당할 때 내면에서 우러나오는 생의 의지를 마주하게 됩니다. 이처럼 절망과 고뇌를 마주할 때 삶의 의지를 다지게 된다면 이들을 마냥 싫어하고 피할 이유는 없겠습니다.

 

HAPPY - DAY6

https://www.youtube.com/watch?v=cDwgEGQDMMw

 

에디슨의 억까에 불구하고 테슬라가 교류 발전에 대한 자신의 의지를 굳건히 다지며 전력 공급 체계의 승기를 잡았듯이 여러분 또한 살아가는 과정에서 수없이 마주할 억까에 굴하지 않는 자세를 갖추길 바랍니다. 때로는 그러한 억까들이 짓누르는 삶의 무게감이 부담스러울 때 그만큼 삶의 중심이 잡혀간다고 생각해 보면 어떨까요? 배가 물 위에서 흔들림이 없기 위해 어느 정도 무게감이 필요하듯, 흔들림 없는 인생에도 또한 어느 정도의 무게감이 필요한 법. 그 수많은 억까를 홀로 짊어지며 고단하게 살아가고 있을 여러분이 이 노래를 듣고 잠시 행복해지길 바랍니다. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.