9.

전기동력학

전기와 자기는 변화와 운동을 통해 서로 관련되어있다 . 예를 들어 , 움직이는 전하는 자기를 만들어 내고 , 변하는 자기장은 전기를 만들어 낸다 . 이 장에서 우리는 이러한 전기와 자기 사이의 관련성을 이용하여 , 유용한 일들을 할 수 있도록 만든 몇 가지 사물들을 탐구한다 .

9.1

손전등

9.2

전력송전

9.3

테이프녹음기

9-1

손전등

질문

: 1.

어떤 손전등은 왜 다른 것들 보다 더 밝은가

? 2.

왜 모든 건전지들의 방향을 일정하게 해야 하는가

? 3.

오래된 건전지와 새 건전지의 차이는 무엇인가

?

4.

손전등을 흔들면 왜 갑자기 어두워 지거나 더 밝아지는가

?

실험

:

두 개 이상의 건전지를 사용하는 손전등을 켜 본다

.

/

스위치가 어떻게 손전등에서 빛이 나오게 하는가

?

손전등을 켜고 건전지가 들어 있는 곳을 천천히 열어 보자

.

/

건전지가 들어 있는 곳을 열거나 닫으면서 손전등이 켜지고 꺼지게 할 수 있는 것은 왜인가

?

손전등의 건전지를 새 것이나 헌 것으로 바꾸고 밝기를 비교해 보자

. /

두 개의 건전지 사이에 종이조각이나 테이프를 끼우면 어떻게 되는가

?

/

지우개로 각 전지의 금속 표면을 깨끗하게 잘 닦은 후 손전등에 넣으면 어떻게 달라지는가

?

•

전기와 손전등의 전기회로

전지에서 전구로 에너지를 전달하는과정 스위치가 어떻게 에너지 전달을 조절할까 ?

전기의 종류

.

정전기

:

정지된 전하

. (

흐르는

)

전기

:

움직이는 전하 손전등

.

손전등에서 전자가 흐르는 폐 회로 를 전기회로

(electric circuit)

라고 한다

. .

전자들은 폐 회로를 흐르면서 에너지를 전지에서 전구로 날라다 주고

,

다시 전지로 돌아와서 추가 에너지를 얻는다

. .

폐 회로를 형성하기 위해

,

가전제품에서 적어도 두 가닥의 전기선이 필요하다

.

하나는 전자를 운반해서 가전제품으로 에너지를 제공해주고

,

다른 하나는 전자를 전기 발전소로 되돌아 가도록 하여

,

추가의 에너지를 받는다

.

.

손전등의 스위치를 끄면

,

개 회로 가 되어

,

전하는 금속 띠에 축적되고

,

전류가 흐르지 않아 에너지가 더 이상 전구에 전달 되지 못한다

.

.

전구는 전자로부터 에너지를 뽑아내기 위해

,

전기의 흐름을 방해하도록 설계되어 있어

,

전기적 에너지 와 운동에너지 를 열에너지 와 빛 으로 변환시킨다

.

전기의 흐름을 방해하는 것

:

전기저항

합선회로

(Short Circuit) .

전류가 전구의 필라멘트를 비켜서 다른 도체를 통해 우연히 흐르게 되면

,

전자들은 흐를 수 있는 다른 길을 얻게 된다

.

새로 생긴 길은 전자의 길을 덜 방해하므로 대부분 의 전자들은 그 길로 흐르게 되고

,

전구는 어두워 지거나 꺼지게 된다

.

.

회로가 합선되게 되면

,

전자들은 에너지를 소모시킬 안전한 자리를 갖지 못하게 되어

,

전지나 금속에 에너지를 쌓아 두게 되고 결국은 그 것들이 뜨거워진다

.

•

손전등을 흐르는 전류

손전등

.

전자의 전기적 에너지 와 운동에너지 를 열에너지 와 빛 으로 변환시킨다

. .

전지

:

에너지 공급원

.

전구

:

에너지 소비자

.

얼마나 많은 에너지가 전구를 통해 빛으로 바뀌나

??

전력의 정의

.

전력

: 1

초당 시스템에 흐르는 에너지의 양

( 1J/s, W) .

전류

: 1

초당 통과하는 전하의 양

( C/s, A) . 1V

의 전자

1C

이

1J

의 에너지를 전달하므로

, 1V

의 전자가

1A

흐를 때

1

초당

1J

의 에너지를 전달해 준다

. (

전력

=

전위차

x

전류

)

전류의 방향

.

전자들은 전지의

(-)

단자에서 흘러나오며

,

스위치와 전구의 필라멘트를 지나 전지의

(+)

단자로 흘러간다

.

이 경우

,

전류의 방향은 전자의 흐름의 반대 방향으로 정의되었다

.

이해도 확인

2

밑창이 고무로 된 신발을 신고 카페트를 걸어가면 우리 몸에는 많은 양의 음전하들이 축적되게 된다

.

이 것은 특히 공기가 건조할 때 그렇게 되며

,

이러한 음전하들은 상당한 정도의 전기적 위치에너지를 갖게 된다

.

그 때 큰 금속 부분에 손을 가까이 가져가면 음전하들이 공기를 통해 금속으로 가기 위해 스파크를 일으키게 된다

.

이러한 스파크에서는 어떤 방향으로 전류가 흐르는가

?

손전등의 각 부분

전지

.

화학적 위치에너지를 이용하여 양전하들은 양극에 음전하들은 음극에 각각 쌓아 놓으며

,

전체적으로 분리된 전하들을 만들어낸다

. .

분리된 전하들이 많아질수록 분리된 전하들 사이의 정전기력이 더 커지고

,

분리하는데 필요한 일도 더 커지므로

,

전하들은 평형상태에 놓이게 된다

.

.

전형적인 알칼라인 전지는 양극의 전위가 음극의 전위보다

1.5V

높게 될 때 까지 쌓아놓는다

.

이러한 전위차는 전류가 흐를 수 있도록 하였을 때

,

양전하들이 내 놓을 정전기적 위치 에너지의 양에 해당한다

.

(

전기회로에 있어서 전류의 자연스런 흐름과 반대이다

.

에너지 공급

) .

건전지가 직렬로 연결되면 전압은 더해진다

.

.

직렬 연결된 전지 중 하나를 반대로 연결하면

,

반대로 연결된 전지 내에서는 전류가 반대로 흐르므로 그 전지는 지나는 전류에서 에너지를 뽑아내어

,

전체적인 전위차는 줄어든다

.

충전이 가능한 전지의 경우

,

뽑아낸 에너지는 화학적 위치에너지로 재충전되며

,

충전이 불가능한 전지의 경우

,

열에너지로 바뀌므로

,

과열되어 폭발할 수도 있다

.

필라멘트

,

금속띠

•

전기에너지



큰 전기저항



열에너지

/

빛에너지

•

금속띠



작은 전기저항



거의 에너지의 손실 없이 전하 이동

이해도 확인

3

산화 납으로 된 자동차 전지는 음극과 양극 사이의 전위차가

12V

이고

,

그 속에는 실제로 개별 전지

6

개가 직렬로 연결되어 있다

.

각 개별 전지들의 전위차는 몇

V

씩인가

?

•

손전등의 전압

,

전류

,

전력

.

전류가 전구를 지날 때 전력을 소모하여 전압강하가 가 일어난다

.

소모된 전력

=

전압강하

x

전류  많은양의 전류가 많은 양의 전압을 잃게 되면 무엇인가 뜨거워 질 것이다

.

.

전류가 전지를 지날 때 전력의 공급으로 인한 전압 상승이 일어난다

.

공급된 전력

=

전압상승

x

전류  많은 양의 전류에 전압을 증가 시키기 위해서는 많은양의 전력이 공급되어야 한다

.

이해도 확인

4

휴대용 라디오는 큰 전지로 전력을 공급한다

.

한 전선으로 전류가 들어가고 다른 전선으로는 나온다

.

어떤 전선에서 전압이 더 높은가

?

9-2

전력 송전

질문

: 1.

전력 송전 시스템은 왜 항상 교류인가

? 2.

고압선은 왜 필요한가

? 3.

전기회사는 왜 가까운 가정의 전신주나 지면에 큰 전기장치를 두는가

?

4. 120V

와

220V

전압의 이점과 결점은 무엇인가

?

•

직류 전력 송전

.

에디슨이 뉴욕 시에 전기를 공급하기 시작했을 때

,

기계적인 전지처럼 발전기의 한 도선을 떠나 다른 도선으로 되돌아 오는 직류를 생산했다

.

.

도선 자체의 저항에 의하여 전압강하가 일어난다

.

 필요 거리가 멀수록 두꺼운 도선 도선을 가로지르는 전압강하는 그 도선을 흐르는 전류와 도선의 전기 저항의 곱과 같다

(

옴의 법칙

)

전압강하

=

전류

x

저항  길고 가느다란 점프선은 자동차로 전류를 운반하는데 너무 많은 전압을 잃어버려 아마 자동차 시동이 걸리지 않을 것이다

.

*

저항

•

직류 전력 송전

.

전압강하에 의하여 소모된 전력

(

전력에 대한 식과 옴의 법칙 결합

)

소모된 전력

=

전압강하

x

전류

=

전류

2 x

저항

.

직류 전력 송전의 문제점

:

도선의 전류의 제곱에 비례하여 전력이 소모된다

.

 전류를

2

배로 하면 전력 소모는

4

배 전력의 소모를 줄이기 위하여

,

높은 전압

(

전력

=

전류

x

전압

)

을 이용할 수 있으나

,

도선이 가정에 직접 연결되어 있으므로

,

고전압은 위험하다

.

에디슨의 해결책

:

전기저항을 낮춘다

.

전기저항은 도선의 길이에 비례하고

,

두께에 반비례한다 두꺼운 구리도선을 사용하고

,

도선의 길이를 짧게 하기 위하여

,

대부분의 발전소를 도심에 건설했다

.

•

교류와 변압기

직류의 단점

:

한 회로에서 다른 회로로 전력을 전달하는 방법이 수월하지 않다

.

 예

)

발전기와 백열전구가 같은 회로에 들어가기 때문에 안전을 위해서 낮은 전압 사용해야 한다

.

교류의 장점

:

전력을 한 회로에서 다른 회로로 전달하기가 쉽다

.

 고전압

/

낮은 전류 송전 가능  전력 손실이 적다

.

.

변압기에 의한 전력전달 원리

:

전류가 자기장을 만들고

,

변화하는 자기장이 전류를 만든다

.

 전기가 전기를 만든다

.

교류전류

:

전류의 흐름의 방향이 주기적으로 바뀐다

.

이는 철심에서의 유도 자장을 주기적으로 바뀌게 하고

,

따라서

2

차 회로에서의 전류를 유도한다

.

 자이로드롭 변압기의 구조

:

중심의 청심에 함께 감겨진 코일로 구성

1

차 코일과

2

차 전류가

1

차코일을 흐를때 주위에 자기장 생성 

1 1

차 코일은 철심을 자화시켜 철심 차 코일을 흐르는 전류가 변하면  철심 주위의 자기장 변화 

2

차 코일에 전류 유도

.

•

전압 변화시키기

- 2

차 코일이 많이 감겨있을 수록 각 전하는 전하에 가해지는 전기장의 방향으로 더 멀리 이동하게 되고

,

그 전하에 더 많은 일이 가해진다

.

이는

, 2

차 코일에 감겨진 수를 증가시키면

,

그 코일에서의 전압증가도 더 커지게 됨을 의미하며

,

역도 성립한다

.

승압변압기 감압변압기 1 차 회로에서 끌어낸 전력은

2

차 회로에 전달된 전력과 같다

.

(

전류에서는 역관계

)

전압 변화시키기

• 1

차코일과

2

차 코일에 감긴 수가 같은 경우

: – 1

차 코일의 전압강하

=2

차코일의 전압강하

: 1

차 코일을 흐르는 전하가 잃은 에너지

=2

차 코일을 흐르는 전하가 얻은 에너지

• 1

차코일과

2

차 코일에 감긴 수가 다른경우

: – 2

차 코일의 감긴 수

<1

차 코일의 감긴수

• •  2 차 코일의 전압증가 <1 차 코일의 전압 감소 ( 감압변압 )  에너지가 낮은 입자들이 더 많은 전류 운반해야한다 .

– 2

차 코일의 감긴 수

>1

차 코일의 감긴수

•  2 차 코일의 전압증가 >1 차 코일의 전압 감소 ( 감압변압 ) •  에너지가 높은 대전입자들이 더 높은 전류 운반

전압 변화시키기

•

전압과 전류



두 코일의 서로 감긴 비로 관련

2 = 1

차전압

2 1  전하에 한 일이 변압기의 철심에 감긴 수에 비례 2 = 1

차전류

1 2 

1

차 회로에서 끌어낸 전력이

2

차 회로에 전달된 전력과 같다

이해도 확인

3

미국에서는 가정용 전압이 보통

120V

이다

.

어떤 고성능 램프는

12V

에서 작동한다

.

그래서 전압을 맞추는 변압기가 내장되어 있다

.

이 변압기에 감긴 코일의 감은 수 비는 어떠한가

?

•

교류 전력 송전

.

직류 전력 송전의 문제점

:

도선의 전류의 제곱에 비례하여 전력이 소모된다

.

전력의 소모를 줄이기 위하여

,

높은 전압

(

전력

=

전류

x

전압

)

을 이용할 수 있으나

,

도선이 가정에 직접 연결되어 있으므로

,

고전압은 위험하다

.

발전소

-

승압변압기

-

고전압 송전선

-

감압변압기

-

가정

이해도 확인

4 50

만

V

의 송전선을

100

만

V

용으로 교체할 수 있다면 이 전선에서 열로 손실된 전력에 어떤 영향이 생기는가

?

9-3

테이프녹음기

질문

: 1.

소리를 전기적으로 나타낸다는 것은 무슨 의미인가

? 2.

소리를 나타내는 전류가 어떻게 테이프를 자화 시킬 수 있는가

? 3.

자화된 테이프를 재생할 때 헤드를 지나가야 하는 것이 중요한 이유는 무엇인가

?

4.

자기 테이프나 신용카드를 강한 자기장으로부터 왜 멀리 두어야 하는가

?

음성을 전기적으로 나타내기

.

마이크

:

소리는 공기의 소밀 부분으로 이루어져 있으므로

,

압력을 받으면 전기를 띠는 압전소자 등을 이용하여 전류 신호

(

교류신호

)

를 만들어 낸다

.

.

스피커

:

전류신호

(

교류신호

)

를 공기 압력으로 바꿈

.

.

이 절에서는 기록하고 재생하는 데에 초점을 둔다

.

녹음기

:

소리를 전류 정보로 바꾸고 이를 기록해두었다가 다시 읽어서 스피커를 통해 재생시키는 장치 전자와 자기 원자

.

원자 내에 여러 전자 들이 함께 모이면 그 들은 서로 반대 방향으로 짝을 지으면서 전자에 의한 자기장을 서로 상쇄시킨다

.

원자 내 자성의 정도는 얼마나 많은 전자가 짝지어지지 않고 남아있는 지에 달려있다

. N S N S

파울리 배타 원리

이해도 확인

4

헬륨원자는 두 개의 전자를 가지고 있고 각 전자의 회전과 궤도 운동이 반대이다

.

이것으로부터 왜 헬륨 원자가 비자성체인지 설명할 수 있는가

?

자성체

.

강자성체

:

자기원자들이 일정한 방향으로 배열 철 코발트 등

.

반자성체

:

각각의 원자들이 앞뒤로 각각 바뀌면서 배열되어 자기장이 완전히 서로 상쇄되어 있다

.

.

상자성체

:

각각의 자기원자들이 앞뒤로 배열되어 있지만

,

각각의 자기력이 다르기 때문에 완전히 상쇄되지는 않는다

.

이상적인 강자성체 자기구역의 형성

:

실제 강자성체의 강한 자기장은 배열된 자기원자들을 뒤틀어서 서로 다른 배열을 하는 자기구역으로 나뉘어지도록 한다

.

보통 철 조각은 분명 자성이 나타나지 않는데 그 이유는 철 조각의 자기구역 들이 형성하는 자기장들이 서로 상쇄되기 때문이다

.

균형잡힌 구역 구역성장 자화된물질 철이 자기장에 놓이면 구역들은 성장하여 철도 자석이 된다

.

연한자성체

:

영구자석을 치웠을 때

,

자기구역의 크기가 탈 자화 되어 비자성체로 돌아온다

. (

철

:

발전기

,

변압기

,

테이프의 기록헤드

,

재생해드

)

강한 자성체

:

영구자석을 치웠을 때에도 영구 자화된 상태를 유지한다

. (

강철못

,

드라이버 등

:

자기 테이프

)

테이프헤드는 연한 자성체 고리로서 코일이 감겨져 있고

,

작은 틈새가 있다

.

고리는 코일에 전류가 흐르면 임시적으로 자화 되고

,

테이프의 강한 자성체를 영구적으로 자화 시킨다

.

기록 헤드 는 테이프가 지나갈 때 테이프 자기 막의 한 부분을 자화 시킨다

.

이러한 자화의 크기는 코일에 흐르는 전류의 세기에 비례한다

.

자화된 테이프가 재생 헤드 의 틈새를 지나가면

,

고리가 자화 되고 코일을 지나는 자속이 변하여

,

녹음된 소리를 나타내는 전류가 코일에 유도된다

.