[변압기] 현실판 토니 스타크에 의해 부활한 테슬라

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[2015개정 통합과학] 송전과 전력 손실

변압기 덕분에 손실 전력을 줄임으로써 전기 에너지를 효율적으로 수송할 수 있다. 그 원리에는 전자기 유도가 숨어 있다. 

변압기의 구조

그림을 보면 알 수 있듯이 변압기는 'ㅁ'자형 철심에 코일을 감은 구조이다. 쉬운 이해를 위해 위의 변압기를 아래와 같이 일렬로 펴보겠다.

편의상 철심을 원통형으로 대체함

설명을 잘 따라와라.

발전소에서 V1과 I1의 곱만큼의 전력 P가 생산된다. 이제 2차 코일에서 생산 전력이 보낼 전력으로 가공 처리될 것이다. 이제 그 가공 처리 과정을 세심히 살펴본다.

 

1차 코일에 흐르는 전류 I1에 의해서 코일 내부에 자기장 B가 생성된다. 이 자기장 B는 철심을 따라 2차 코일이 있는 곳까지 영향을 미친다.

 

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 유도' 현상이 발생하기 때문에 2차 코일에 전류가 흐르게 된다. 전류가 흐른다는 건 2차 코일에 전압이 생겼다는 걸 의미한다. (전압이 생겨야 전류가 흐르므로)

코일을 많이 감을수록 더 센 유도 전류가 흐른다. 센 전류가 흐를 수 있는 건 그만큼 센 전압이 가해졌다는 걸 의미한다. 즉, 2차 코일에 생기는 전압은 2차 코일을 감은 횟수에 비례한다.

 

즉, 2차 코일을 많이 감으면 감을수록 전압의 크기가 커지게 되고, 2차 코일을 적게 감을수록 전압의 크기는 작아진다. 송신용 변압기의 코일은 많이 감겨있고, 수신용 변압기 코일은 적게 감겨 있다. 그 이유를 댓글에 달아보자.

 

정리하면 변압기는 '전자기 유도'를 활용하여 전압의 크기를 변화시키는 도구인 셈이다.

우리가 앞서 배웠듯이 '전자기 유도'란 변화하는 자기장이 전류를 만드는 현상을 말한다. 여기서 포인트는 변화하는 자기장이다.

 

즉, 2차 코일에 자석을 넣었다 뺐다하는 효과가 나타나야 한다는 것이고, 그러기 위해선 1차 코일에 흐르는 전류의 방향과 크기가 바뀌어야 한다는 걸 의미한다. 이러한 전류 형태는 교류 발전에서만 가능하다. 직류 발전에서는 전류의 크기와 방향이 고정되어있다 보니 마치 다음 그림과 같은 효과가 나타난다.

 

교류 전원을 연결하면 자석이 2차 코일에서 왔다 갔다하는 효과가 나타지만 직류 전원을 연결하면 자석이 2차 코일 근처에서 정지한 효과가 나타난다.

 

따라서 변압 과정은 에디슨의 직류 발전에서는 가능하지 않았고 테슬라의 교류 발전에서는 가능했다.

이러한 교류의 유용성에 대해 확신을 갖고 있던 테슬라는 에디슨에게 교류 전기를 추천했지만, 에디슨은 끝까지 직류를 고집하며 테슬라에게 직류발전기의 성능 향상을 지시했다. 그럴 수 밖에 없었던 이유는 이미 에디슨은 거액의 금액을 직류 발전에 투자해버렸기 때문에 이걸 없던 것으로 물릴 수가 없었던 데에 있었다.

 

테슬라는 결국 회사를 그만두고 교류 발전의 특허 사용권리를 웨스팅하우스에 팔면서 그 유명한 ‘전류 전쟁’의 서막이 열린다.

 

 

youtu.be/RkkOm5nm908

 

직류의 우수성을 주장하기 위해서는 송전 효율을 높일 수 있는 기술이 필요했지만, 이를 개발하는 것이 불가능하다고 판단했던 에디슨은 마타도어(Matador) ; 흑색선전을 구사하는 추잡스러움을 보인다.

 

전기 사형 의자로 죄수를 죽이는 에디슨

교류가 직류보다 더 위험하다는 것을 강조하기 위해, 개와 고양이를 교류로 감전시켜 죽이는 것을 대중들에게 보여주는가 하면 더 극적인 장면을 연출하기 위해 사형수를 전기의자에 앉혀 죽이는 일도 서슴없어했다.게다가 고전압 송전으로 손실을 줄이는 교류의 장점을 원천적으로 차단해버리기 위해, 송전압을 800V 이하로 제한하는 법을 만들기 위한 로비활동을 펼쳤다.

 

교류 발전 장치 앞에서 태연하게 책을 보는 테슬라

이런 에디슨의 꼼수에 테슬라가 맞대응한 방법 역시 가관이다. 웨스팅하우스는 테슬라가 몇 백만 볼트의 교류 발전기 옆에 앉아서 책을 읽고 있는 사진을 공개함으로써 한순간에 논란을 잠재운다.

 

나이아가라 폭포에 최초의 교류발전소를 세운 기념으로 세운 테슬라 동상

결국 25만 개의 전구를 켜는 행사를 따낸 웨스팅하우스는 성공적으로 박람회를 마칠 수 있었고, 이후 나이아가라 발전소 사업 수주에 성공하며 교류 전력 체계가 전력 공급방식의 주도권을 잡는데 초석을 마련한다. 이 일로 에디슨 진영은 패배를 인정해야 했다.

 

무선으로 보다 쉽게 전세계에 전기를 보낼 아이디어를 갖고 있었던 테슬라

테슬라는 사업가가 아니라 이상주의적인 면모를 갖춘 과학자였다. 그의 최종 목표는 무선 송전을 통하여 전 인류가 무료로 전기를 사용하는 것이었다. 전선 없이 발전소에서 수백 개의 전구를 켜는 실험에 성공했는데 이는 지구의 땅이 도체가 되고 전류를 특정 방법으로 보내서 전선 없이 불을 켜는 방법이었다. 이것은 현대 과학으로도 아직까지 이해가 되지 않는 방법 중에 하나라고 한다. 오직 니콜라 테슬라만이 알고 있는 방법이라고 한다.

 

이밖에도 우주 에너지를 동력화해서 움직이는, 연료가 전혀 필요 없는 자동차 그리고 전자기파를 활용한 지진 병기 연구 등 니콜라이 테슬라의 연구는 함부로 발표하기가 두려울 만큼 위험한 것이 많아서 정부는 니콜라이 테슬라의 과학적 업적을 인정하기보다는 니콜라 테슬라를 독점하기를 원했다고 한다. 

 

에디슨과 테슬라의 공동 노벨상 수상? 보도

1915년 11월 6일 자 뉴욕타임스는 에디슨과 니콜라 테슬라가 노벨 물리학상의 공동 수상자로 결정되었다는 기사를 내보냈지만 정작 수상의 영예는 다른 사람에게 돌아간다. 막판에 수상자를 바꾼 이유는 아직도 분명하게 밝혀지지 않고 있지만 정부가 그들의 연구 성과가 알려지는 게 두려워서 압력을 넣었다는 썰이 지배적이다.

 

비운의 천재 과학자 테슬라

테슬라는 700여 건의 특허를 취득하였으나 한 차례의 화재로 엄청난 연구결과와 재산 피해를 입었고, 말년에는 거의 무일푼으로 연구에만 몰두하다가 1943년 뉴욕의 한 호텔에서 쓸쓸히 죽었다고 한다. 테슬라의 천재성이 상용화되었더라면 방사선 노출의 위험성을 안고 있는 핵발전소 대신에 지구를 도체 삼아 우주의 무한 동력 에너지를 끌어 들일 수 있었을 진데 인간의 욕심과 악이 그것을 놓쳐버린 꼴이다. 참으로 아까운 인재가 돈만 밝히는 에디슨과 정부로부터 묻혔다는 사실이 너무나 안타깝다. 교과서에도 나오지 않으니 말이다.

 

그랬던 테슬라가 21세기에 화려하게 부활한다.

 

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테슬라의  화려한 부활

일론 머스크

“현실판 토니 스타크”, "괴짜 사업가" 등 다양한 별칭을 갖는 이 사나이는 바로 일론 머스크이다. 머스크는 천재 과학자 테슬라의 이름을 딴 '테슬라'란 전기차 회사의 CEO다. 2003년 설립된 테슬라는 2020년에 도요타를 제치고 글로벌 자동차 업계 시총 1위의 거대 기업이 되었다. 이는 21세기에 들어 일론 머스크에 의해 테슬라가 부활한 것이나 마찬가지다.

 

우주 에너지를 동력화해서 움직이는, 연료가 전혀 필요 없는 자동차

스페이스 X 

청년 시절 머스크는 "지구는 푸른빛이었다."는 유명한 말 한마디를 남긴 러시아 우주 비행사 유리 가가린에게 영감을 받아 우주탐사 기업 '스페이스 X' 사업을 고안하여 2019년에 첫 민간 유인 우주선을 성공적으로 쏴 올렸다.

머스크는 니콜라 테슬라가 생전에 구상했었던 '우주 에너지를 동력화해서 움직이는 연료가 전혀 필요 없는 자동차' 연구를 이어나가고 싶었을까? 그는 우주 개발에 힘입어 화석 연료가 아닌 다른 동력원으로 움직이는 자동차를 원했고 그에 대한 해답은 전기 자동차였다.

 

"굴러다니는 최첨단 컴퓨터" 

"미래의 아이폰"

 

사람들은 테슬라가 ‘세계 최대 자동차 회사’가 될 것이라고 생각하지 않는다. 대신 전 지구의 에너지 문제를 해결할 것이라고 믿는다. 테슬라의 전기차 사업은 화석 연료 의존성을 낮추는 에너지 플랫폼을 필두로 자율주행 네트워크를 기반으로 한 소프트웨어의 시너지가 스마트폰이 쏘아 올린 4차 산업혁명의 총알탄을 가속화할 것으로 전망한다.

 

얼마 전에 머스크는 인류의 행복을 위한 또 다른 도전을 공개했다. 뇌에 8㎜짜리 컴퓨터 칩을 이식한 돼지가 그 사례였다. 이식된 칩에 입력된 자료에 따라 돼지를 행동하게 만드는 게 목표인데, 이는 궁극적으로 인간 뇌에도 칩을 이식하여 알츠하이머, 척추 손상 등을 치료한다는 비전을 갖고 있다.

교류 발전으로 전기의 대중화에 기여한 테슬라는 무선 송전이라는 기술로 전 인류가 무료로 편리하게 전기 에너지를 사용하길 바랐고, 무한한 우주 동력 에너지를 활용한 발전을 꾀하는 친환경주의적 면모를 보였다. 하지만 이러한 테슬라의 큰 포부를 용인할만한 시대가 아니었는지, 시대 운을 타고나지 못한 테슬라는 비운의 삶으로 생을 마감하였다.

 

인류의 행복과 대의의 선을 위해 여러 방면에서 활약하는 일론 머스크에게서 테슬라가 비춰지는 건 기분 탓일까? 1세기 만에 화려하게 부활한 테슬라의 애민 정신이 머스크를 통해 실현되는 멋진 미래가 오기를 기다려본다.