지난 시간에 이어서...
전류에 관련하여 조금더 세부적인 이야기를 까발려 보도록 하겠습니다.
여러분이 잘 알고 있는 두 과학자.
한명은 99% 실패와 1% 영감 어쩌구 저쩌구 하신 위대한 에디슨 아저씨와
나머지 한명은 전기차로...? 어쩌다가 유명인사 되신 테슬라 아저씨
이 아저씨들은 둘다 내로라하는 세계적인 과학자로
아주 사이가 안좋았어요
(음.. 흡사 저랑 부장님 사이 같은?)
이유야.
아주 별거 아닐 수 있는
직류가 좋네 교류가 좋네 하는 류의 이야기들 때문이었죠.
우리 발명왕 에디슨 아저씨는 테슬라한테 지기 싫어서
코끼리까지 감전시켜 처형하는 무자비한 무자비한 행동을 통해 교류를 배척하였죠.
최근에 찾아보니 Current War라는 영화도 보이네요.
해석해보면 전류 전쟁? 쯤 되겠어요.
별로 재미는 없는거 같아서 영화는 안봤습니다.
과연 이들이 서로 그토록 썰전을 벌였던 직류와 교류는 대체 뭘까요?
1. Direct Current(직류)
앞선 포스팅에서 기술하였듯이 전류는 단위시간당 얼마나 많은 전자가 이동하는가 알려주는
단위라고 했었죠.
그림으로 표현해보면 이렇습니다.
그림은.
아직 포토, 일러를 배우지 않은 관계로 그림판과 엑셀로 그렸으니 너그러이 양해바랍니다.
외부에 전자를 움직여줄 힘의 원천.. 전지를 연결해주면 전자들은 신이나서 어느정도 방향성을 가지고 움직이기
시작합니다.
이렇게 전자가 흐르게 되면 전자의 흐름인 전류가 만들어진다는 것이 지난시간의 포인트였어요.
이번주에 다룰 것은 이 전자들의 목적지.
즉, 전자들의 방향이 어디로 움직이는지에 대한 관찰을 시작할건데요.
제가 위에 표시했던 번개모양의 그림을 자석으로 표현해볼 수도 있는데.
표현해보면 요래요.
우리가 건전지를 연결해서 전자들이 흐르도록 냅둔다는 것은 사실은 위 도식도처럼
각 극판을 단순히 멀~리 떨어뜨려놓은 것과 같은 효과를 가지고 있어요.
때문에 이러한 그 안의 철편들은 일정한 방향을 가지고 움직이는 것이지요.
자, 여기까지가 복습이었습니다.
상황을 가정해보겠습니다.
자석도 강한 네오디움 자석과 과학시간에 쓰는 구닥다리 말굽자석이 있듯이
자석에 세기에 따라 철심은 어떤 변화를 보일까요?
먼저 강한 자석의 경우가 위 사례의 그림과 동일하다고 보겠습니다.
그 다음은 약자성인 말굽자석의 사례를 봐봅시다.
강자성에 비해서 약자성에서의 철편의 흐름이 다소 불규칙성이 강하다는 것은
그림만 보아도 감이 오시죠?
직류가 바로 이겁니다.
전자가 일정한 방향성을 가지고 움직이기는 하는데
그 세기가 조금씩 다른 것.
직류는 그림에서 보듯.
철편이 움직이는 정도가 바뀌지만 N극의 위치와 S극의 위치가 고정되어 있으므로 철편은
한 방향으로 향한다고 볼 수 있겠죠.
다만 자성이 셀수록 철편들은 더 확실한 방향성을 보여주고
자성이 약할수록 철편들은 애매모호한 방향성을 보여줍니다.
정리하면, 철편은 전자로 대응되고
N극은 +로 S극은 -로 대응된다 보시면 편한데요.
자기와 전기는 불가분의 관계이기 때문에 똑같이 이해하셔도 무방합니다.
다만 전자는 철편에 비해서 무게가 매우 가볍기 때문에 이동을 할 수 있고
철편은 전자에 비해서 매우매우 무겁기 때문에 단순히 방향만 나타낸다고
이해하시면 됩니다.
대부분의 전기공학도 학생들은 직류를
요런 모습으로 상상하시겠지만...
진짜 산업에서 보이는 직류의 모습은 아래 패턴입니다.
직류는 전자들이 일정한 방향성을 가지고 이동하는 것을 말합니다.
방향이 음이던 양이던 상관이 없고
크기가 변하던 안변하던 상관 없어요~ 요게 포인트입니다.
일부 책에서는 크기와 방향이 모두 일정해야 된다고 소개하고 있으나
이는 이상적인 상황만을 일컬으며, 지구에 이상적인 상황은 존재하지 않아요.
제가 오늘 설명드린 직류의 개념을 확실히 잡으세요!
제 생각이라 언급이 조심스럽지만 예부터 느낀것이...
많은 책들이 이상적인 상황을 기준으로 이론을 소개합니다.
전기공학은 이상적인 학문이 아닌데도 말이죠.
우리는 자연계를 배워야 합니다.
우리는 지구에 살고있지 이상적인 나라에 살고 있지 않으니까요.
직류는 주파수가 0이라고들 배웁니다.
진짜 0인가요?
그런 직류가 과연 존재하기는 하는건가요?
NOPE.
이상과 가깝게 직류를 만들어낼 수는 있으나
어느 순간에도 이상적인 직류를 뽑아내는 건 불가능합니다.
제 블로그를 읽어주시는 독자여러분은 진짜 전기를 배우시고 이후에 이상적인 상황을 가정한
이론을 습득하시길 바랍니다.!
2.. Alternating current(교류)
또 하나의 상황을 가정해보죠
앞에서는 자석의 세기가 바뀌었다면 이제는 아예 자석의 위치를 거꾸로 바꿔보도록 하죠
일정한 시간에 따라 계속 N극과 S극의 위치가 바뀐다면???
철심은 대체 어디를 향할까요?
철편이.
오른쪽으로 갔다가 왼쪽으로 갔다가를 반복할 것이라고 상상이 되실 겁니다.
근데 전자가 움직이면서 +와 -가 주기적으로 교차될 때 아래 그림처럼 될까요?
당연히 NOPE
철심이 무겁기 때문에 안되는건가? 싶지만
철심에 비해서 매우매우 가벼운 전자도 이렇게 딱딱 바뀌지는 않아요.
실제로는 이렇게 스~무~스 하게 바뀌겠지요.
왜 스무스하게 바뀌는거냐???
N극과 S극의 반전이 실제로는 일정 텀을 가지고 진행되기 때문이에요.
(매우 매우 중요!)
우리나라의 경우 1초에 60번 간격으로 극성의 반전이 반복된답니다.
60Hz의 주파수를 유지할 수 있는 것은 부하에 상관없이 조속기인. 원동기가
사용되기 때문이죠.
화석연료를 태우던. 핵분열 에너지를 일으키던 수소연료를 통해 에너지를 발생시키던 어쨋든
원동기를 통해서 그 에너지를 적절하게 뿜어낼 수 있게끔 조절하는 것입니다.
네이버 지식백과에 너무 소개가 자세하게 잘 되어있어 발췌하여 간단히 소개드리면.
금속판은 화석연료나 원자력, 수력, 풍력등의 에너지가 외부에서 전달되는 부분이죠.
그리고 이 금속판은 부하가 어떻던 동일한 속도로 돌아가게끔 조속기가 바로 잡아줍니다.
즉, 부하에 변동에 따라 흔들리지 않는 60Hz 교류를 생성하는 것이지요.
사실 이에 대해 자세하게 이해하려면 패러데이 법칙이나 렌쯔의 법칙, 플레밍 오른손의 법칙등
전자기학의 용어들이 대거 등장하기 때문에 이번포스팅에서는 모든 내용을 담을 수 없고,
이후에 하나의 포스팅으로 엮어서 각 부분을 집중적으로 소개해드리는 것으로 하겠습니다.
여튼. 이런 주기성을 가지고 있는 운동들은 수학적으로 삼각함수로 표현 가능하고,
교류를 표현하는데 삼각함수가 사용됩니다.
정리하자면
교류라는 놈은 주기를 가지고 양 과 음을 반복하는 특성을 가지고 있고
주기를 가지고 있기 때문에 주기함수인 사인이나 코사인 함수로 표현이된다!
그럼 대체 교류랑 직류를 나누는 이유가 뭔가요?
교류랑 직류가 구분되어 있는 이유는 나름의 장점과 단점이 존재하기 때문이겠죠.
우리가 가정에서 사용하고 있는 전원은 220[AC]이고 휴대폰 충전에 사용되는 전원은 보통 DC12, DC9, DC5[V]입니다.
왜 이렇게 나눠서 사용을 하는 것 일까요?
교류의 장점 1
교류는 변압이 쉬운 장점이 있지요.
우리는 발전소에서 전기를 끌어오는데 발전소랑 가정집은 거리가 너무 멀기 때문에
전력손실이 어마어마 하답니다.
전력 손실을 줄이기 위해서는 전압을 높이는 것이 상대적으로 유리한데요.
이 때문에 우리나라는 765[KV], 345[KV], 154[KV] 22.9[KV]의 전압 레벨을 사용중이랍니다.
궁극적으로 현재 테슬라의 교류 채용방식이 사용된 이유는 각 전압레벨 간의 변압이 수월하기 때문이지요.
교류의 장점 2
회전자계를 얻기가 쉬워요.
일단 교류발전기는 직류발전기보다 구조가 간단하고 효율이 좋기 때문에
주로 많이들 사용하지요!
회전자계가 무엇인지는 전기기기 포스팅을 통해 소개드리겠습니다.
직류의 장점 1
절연 계급을 낮출 수 있지!
교류는 실효값을 쓰기 때문에 최대 값이 Vm의 * 1.414(root 2)배 만큼 커지죠.
반면 직류는 평균값으로 표현되는 Vm만큼만 절연하면 되므로
선로의 절연이 상대적으로 쉬워집니다.
절연레벨은 엔지니어가 아주 중요하게 바라봐야되는 것으로
돈과 직결됩니다!!!
Money Is 뭔들!!!
아무리 효율이 좋거나 훌륭한 기술이어도 비싸다면 쓰잘데 없는 기술이라고 했는데
에그머니!
직류는 돈도 적게들어!
직류의 장점 2
실제의 직류는 주파수 성분이 미미하여 인덕턴스나 커패시턴스의 영향이 매우적어 전력손실이 적다는
장점이 있지요.
임피던스 =2π * f * L
임피던스 = 1 / 2π * f * C
(이후의 회로이론 포스팅에서 수식에 관련한 설명 자세히 설명)
f는 주파수 L은 인덕턴스 C는 커패시턴스인데요
직류는 f가 매우매우 미미하여 교류선에서 발생하는 위상지연이나 역률보상 개념따위가 거의 필요없습니다.
또한 직류는 해석하는 방법이라든지 제어하는 방법이 교류에 비해 간편합니다.
요새는 에디슨 아저씨 의견에 조금씩 힘이 실리고 있는 모습입니다.
국내에서 한반도의 땅끝마을인 해남과 제주도를 잇는 수중에는 직류 송전방식도 사용됩니다.
HVDC라고 하여 초고압 DC송전방식이 바로 그러한 사례인데요.
수백 킬로미터가 넘는 송전선로에서는 교류보다 직류 송전이 꽤나 유용한 효율을 자랑한답니다.
교류의 단점 1
어렵다.... 하 어렵다.
교류는 조류를(전류의 흐름) 해석하는 방법이 까다롭죠. 위상 개념과 시간의 개념이 들어가기 때문이죠.
직류의 단점 1
직류는 변압이 어려워요.
교류의 경우에는 회전자계를 통해서 변압을 용이하게 하죠.
직류는 주파수가 거의 없기 때문에 위상을 이용한 회전자계를 이용하는 것이 넘나 어렵습니다.
직류는 보통 평균값으로 표현하고
교류는 보통 실효값으로 표현합니다.
실효값이란 교류를 직류로 환산한 값이라고 생각하시면 됩니다.
어떻게 환산하는지는 머지않아 소개드리도록 하겠습니다.
교류를 평균값으로 표시하지 않는 이유는 간단합니다.
왜냐?
교류를 평균내면 0인데.
실제 출력되는 전압이 존재하고 그값이 0은 아니기 때문에 또다른 표현 방법이 필요했던 것이고.
직류로 표현하는 것이 교류를 이해하고 해석하는데 도움이 되었기에 실효값으로 나타내게 된 것이죠!
사실 이번 포스팅을 기재하면서 너무 살을 붙여서 설명할 것이 많아서
포스팅을 하는게 힘들었네요.
A를 설명하자니 B도 설명해야 할 것 같고.
그러자니 포스팅이 길어지고 가독성이 떨어질 것 같고.
그렇다고 소개하지 않고 넘어가자니 내용이 붕떠버리고 하는
여러가지 이유로... 축약하고 축약한 것이
지금의 포스팅이네요.
아직 초보 블로거이다보니 부족한 점이 많은것 같아요.
대부분의 개념들이 하나만 소개하고 넘어갈 수 있는 것들이 아니라 주변의 다른 지식들까지 같이
이해해야 하기 때문에 포스팅 되지 않았던 많은 개념과 용어들이 등장했습니다.
오늘 포스팅한 부분들을 지금당장 이해못하신다고 하셔도 전혀 문제 없습니다.
이후의 포스팅에서 아주 자세하게 소개해드릴 거니까요.
제가 포스팅하는 글들이 여러분들에게 어떻게 와닿는지 잘 모르겠습니다
하하..
댓글이라도 달아주시면 여러분과 소통하며 양질의 포스팅을 약속하겠습니다.
오늘은 여기까지이고, 다음시간에는 전압과 관련된 썰들을 풀어봅니다!
끝.
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