시차 - 우원재 {유도 기전력 및 상호 유도}

 

억까로 인해 고통을 받고 있는 여러분에게 해주고 싶은 말이 있어요.

 

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 삶의 의지를 마주하게 됩니다. 억까를 토대로 삶의 의지를 다잡는 역설의 교훈, 오늘 공부할 물리학이 가르쳐 줍니다. 

 

문명의 발전(發展), 발전(發電)에 의한 에너지

 

인류의 삶은 불연속적인 계단형으로 발전하였고 그 중심에는 에너지가 있었습니다. 에너지 가공 방식에 따라 우리 삶의 질이 결정됐다고 말해도 과언이 아니에요. 우리는 지금 역사상 가장 세련된 형태의 에너지, 전기 에너지를 사용하고 있습니다.

 

https://www.youtube.com/watch?v=B69hV6YTdwQ

 

우리의 삶에서 전기 에너지가 사라진다면 어떨까요? 당장 이 땡볕의 여름날에 에어컨 작동은 고사하고, PC와 스마트폰 사용에 차질이 생겨 개인적인 업무라든지, 사회적 소통에 어려움이 생기게 됩니다. 이처럼 전기 에너지의 차단에서 비롯된 수많은 제약을 고려한다면, 전기 에너지는 우리의 삶과 떼려야 뗄 수 없는 필수 소비재입니다. 이번 시간에는 임의의 에너지를 전기 에너지로 가공하는 발전(發電)의 원리, 전자기 유도에 대해서 공부합니다.

패러데이 법칙

 

뭐??! 패러데이는 수학을 잘하지 못했다고??!

전기력선과 자기력선

 

가난한 대장장이 수습생의 아들로 태어난 패러데이는 정규교육을 거의 받지 못했기 때문에 수학적인 사고보다 무엇이든 시각화하는 것을 좋아했대요. 전기력과 자기력처럼 눈에 보이지 않는 물리적 실체를 선으로 시각화한 것은 수학을 못하는 패러데이의 성향이 탄생시킨 발명품입니다. 사실 위에서 학습한 패러데이 법칙은 패러데이가 아닌, 맥스웰의 작품입니다. 전자기 현상에 대한 패러데이의 직관적 이해를 맥스웰이 수학적 언어로 재구성한 거죠. 이 과정에서 맥스웰은 전기와 자기가 서로 얽힌 채 춤을 추면서 파동의 형태로 공간을 가로질러 나아간다는 사실을 예측합니다.

 

중요한 건 꺾이지 않는 마음입니다.

 

물론 수학은 중요한 도구예요. 하지만 그보다 더 근본적인 건 상상력과 포기하지 않는 자세입니다. 보이지 않는 것을 그릴 줄 아는 용기, 이해되지 않아도 계속 붙들고 있는 끈기. 그게 바로 패러데이가 보여준 ‘과학 하는 자세’이자 '삶을 살아가는 자세'이죠.

 

 

발전기는 전기 에너지를 생산하는 장치로써 회전 운동에 의해 코일을 지나는 자기장이 주기적으로 변화될 수 있는 구조입니다. 자속이 주기적으로 변화하는 삼각함수의 형태이기에 그의 미분형, 유도 기전력 또한 주기적으로 변화하는 삼각함수의 형태입니다. 이처럼 크기와 방향이 주기적으로 변하는 전원의 형태를 교류라고 하며 발전기에서 생산되는 전력은 교류입니다. 그렇다면 발전기에서 생산하는 전력이 직류가 아닌 교류인 까닭은 무엇일까요?

 

뭐?!! 에디슨과 테슬라는 서로 라이벌이었다고?!!

 

19세기, 전력 공급 체계를 두고 피 터지게 싸웠던 에디슨과 테슬라. 당시 에디슨은 직류 발전, 테슬라는 교류 발전을 고집했죠. 에디슨의 거대한 자본력과 명성에도 굴하지 않고 테슬라가 승리를 거머쥐게 된 이유는 무엇이었을까요?

 

답은 간단합니다, cheap 하고 chic 해서.

 

에디슨이 투자한, 직류 발전으로 생산한 전력은 발전소 0.8km 반경 내에서만 공급되기 쉬웠던 데다, 전력 생산 단가 또한 비쌌기 때문에 소수의 부유층만이 전기의 특혜를 누릴 수 있었습니다. 그러나 테슬라의 교류 발전은 보다 먼 거리의 수요자에게 전력을 쉽게 공급할 수 있었고, 전력 생산 단가가 저렴했기 때문에 누구나 전기의 특혜를 값싸게 누릴 수 있었죠. 그래서 테슬라가 이긴 겁니다. 하지만 무엇보다 테슬라의 시크함이 승리의 큰 몫을 차지했죠. 그렇다면 테슬라의 교류 전력이 cheap 한 이유 및 어떠한 면에서 테슬라가 chic 했는지에 대한 이야기, 다음의 상호 유도 파트에서 이어집니다.

 

 

변압의 원리는 전자기 유도의 한 갈래, 상호 유도입니다. 전자기 유도란 변화하는 자기가 전기를 만드는 현상이에요. 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. 따라서 변압을 이용한 송전 과정은 에디슨의 직류 발전에서는 가능하지 않았고, 테슬라의 교류 발전에서는 가능했습니다.

 

송전 과정에서 손실 전력을 최소화하기 위해서는 송전 전류를 줄여야 하고, 송전 전류를 줄이기 위해서는 전압을 높여야만 합니다. 상호 유도를 활용한 변압기가 그 수요를 충족했고, 직류가 아닌 교류만이 변압기를 작동시킬 수 있었습니다. 반면 직류는 전압을 쉽게 바꿀 수 없어 손실이 커집니다. 이 때문에 직류로 전기를 보내려면 더 많은 설비와 비용이 필요하게 되고, 결과적으로 생산 단가가 교류에 비해 비싸지는 것입니다.

 

수많은 억까에 굴하지 않고 chic 했던 테슬라의 깡

 

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.

 

https://youtu.be/iJtW3tF2Za4 

 

니들이 꿈을 꾸던 그 시간에 나도 꿈을 꿨지. 두 눈 똑바로 뜬 채로

 

지평선 너머 져내리는 태양은 또 다른 누군가에게는 떠오르는 태양입니다. 남들이 꿈을 꾸던 그 시간에 두 눈을 똑바로 뜬 채로 꿈을 키워가는 사람들의 chic 함, 내 삶이 머물고 있는 시간이 남들과는 다소 다를지라도, 그 시차의 억까에도 불구하고 내 삶을 강단 있게 꾸려가는 chic 함, 그 모두는 지금의 내 시간은 남들이 돈 주고 가는 파리의 시간과 다를 바 없이 소중하다는 역발상에서 비롯된 게 아닐까요? 그러한 역발상이 있었기에 동방의 소음은 전국을 울려대는 히트곡이 되었죠. 

 

이처럼 역발상은 숨어있던 가치를 드러나게 해 줍니다. 전기와 자기의 관계에 대한 역발상에서 비롯된 전자기 유도 덕분에 우리가 편리하고 세련된 전기 에너지의 가치를 누릴 수 있는 것처럼요. 오늘도 물리를 통해 인생을 배웁니다.