전기에너지는 어디에서 오는 것일까?

이영두 울산대학교 전기공학부 연구교수 / 기사승인 : 2021-04-19 00:00:09
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생활 속의 자연과학

이제는 전기가 없는 세상을 상상할 수조차 없다. 이른 아침 스마트폰의 알람 소리를 들으며 눈을 뜨고, 잠들 때는 전등을 끈다. 전기는 하루의 시작이자 하루의 끝이 됐다. 전기는 전기를 사용할 때 나타나는 모든 현상을 총칭하는 표현이다. 그래서 누군가에게 ‘전기가 무엇이냐?’고 물으면 대답하기가 쉽지 않다. 학교 과학 시간으로 돌아가 보자. 이곳에서는 전기를 ‘전하로 말미암아 발생하는 모든 물리현상’으로 가르친다. 그런데 재밌게도 여기서 ‘전하’는 ‘전기현상의 실체’로 정의된다. 전기와 전하는 각각을 설명하기 위해 서로를 가져와야 하는 순환정의의 관계에 있는 것이다. 이런 이유로 전기와 전하는 전문가들 사이에서도 혼용해서 사용되고 있다. 하지만 이 둘 사이에는 분명한 차이가 있다. 전기는 ‘현상’을 지칭하는 것이며, 전하는 ‘물리량’을 의미한다는 것. 구체적으로 전하는 전기현상을 일으키는 입자의 양이다. 


그럼 ‘전기를 사용한다’는 말은 틀린 표현일까? 여기에는 생략된 말이 하나 있다. ‘에너지’다. 우리는 전기에너지를 사용한다. 전기에너지는 단위 시간당 전하가 한 일의 양을 나타내는 것으로 보통 전력이라 하고, 단위로는 와트(W)를 사용한다. 마치 물이 파이프를 통해 흘러 수차를 돌리듯, 전하는 전선을 통해 흘러 불을 켜거나 열을 내거나 기계를 움직이는 등의 일을 한다. 이런 전하의 흐름을 전류라고 한다. 


그렇다면 전기에너지는 어떻게 만들어질까? 흔히 아는 것처럼 ‘발전기’라는 역학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치를 이용한다. 발전기의 기저원리는 ‘전자기유도’ 현상이다. 말 그대로 전기와 자기 사이의 작용으로 무엇인가가 유도된다는 의미. 전기의 정의와 유사하게도 자기는 자석의 힘에 의해 발생하는 현상들을 총칭한다. 자석은 N극과 S극 두 극을 갖는데 같은 극끼리는 밀어내고 다른 극끼리는 끌어당기는 성질을 갖고 있다. 그리고 철제 클립을 자석 가까이에 가져가면 클립은 곧 자석으로 휙! 날아가 붙어 버린다. 만약 자석으로부터 클립이 아주 멀리 떨어져 있다면 어떻게 될까? 클립은 자석에 전혀 반응하지 않는다. 즉, 자석이 클립을 끌어당기는 힘(자기력)이 미치는 범위가 있다는 것이다. 이것을 자기장이라고 한다.


다시 전자기유도 현상으로 돌아가 보자. 전선을 싸고 있는 피복을 벗겨 얇은 철제 파이프 등의 둥근 각재에 감아보자. 이것을 코일이라고 한다. 이 코일의 양 끝에 전류를 감지하는 검류계를 연결한 후, 원 모양이 겹치듯 연결된 코일의 내부에 자석을 넣었다 뺐다 반복해 보자. 검류계의 바늘이 움직인다. 전류가 흐르는 것이다. 전자기유도 현상은 코일에 미치는 자석의 자기장 변화를 통해 전류가 발생하는(유도되는) 현상이다. 이 마법 같은 현상은 영국의 물리학자인 마이클 패러데이에 의해 발견됐다. 전자기유도 현상은 우리가 존재하는 공간이 일정한 관성을 유지한다는 관성의 법칙과, 주어진 공간에 무질서도는 일정하게 유지되거나 증가한다는 엔트로피 법칙, 그리고 공간 내 총 에너지의 양은 변하지 않는다는 에너지 보존의 법칙이 함께 춤을 추는 공간의 하모니다. 마치 공간이 살아 있어서 에너지를 변환해 방출하는 것처럼 보인다.


정리하면 발전기는 전자기 유도현상을 일으키기 위한 기계장치인 것이다. 보통 회전에너지를 전기에너지로 변환하는데 회전하는 부분을 터빈이라 부르며 터빈이 돌아가는 축에 영구자석을 부착하고 발전기 내부는 코일로 싸여 있는 구조다. 댐의 가두어둔 물을 흘려보내거나, 물을 끓여 만든 증기로 터빈을 회전시키면 축에 부착된 영구자석이 함께 회전하며 코일로부터 전류가 유도된다. 이렇게 생산된 전기에너지를 우리는 매일 사용하고 있다. 바로 공간의 선물이다. 


이영두 울산대 공과대학 연구교수

 

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이영두 울산대학교 전기공학부 연구교수
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