Transcript 도선의 전류의 제곱에 비례하여 전력이 소모된다.
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
.