전기에너지와 기전력

전류와 전자석 전류 사이에 작용하는 힘

기전력과 에너지 열로 사라지는 전기에너지

배터리

•전하가 움직이면 전류가 생긴다.

• 1800년 Volta가 만들어낸 전지는 전류연구를 가능하게 했다. http://www.youtube.com/watch?v=edMN7P5oCaY

http://w1tp.com/imbatt.htm

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Voltaic_pile.svg&page=1

전류가 자석을 만든다.

• 1820년 외르스테드는 전류 스위치를 껐다 켰다 하는 와중에 전선 주변에 있던 나침반 바늘이 움직이는 것을 우연히 목격하게 된다. ▫ http://www.youtube.com/watch?v=3KkOqVEa

1oI&feature=related • 강한자석 만들기 ▫ http://www.youtube.com/watch?v=QGytW_C6hR

8&feature=related

자기장이 존재한다 ▫ http://www.youtube.com/watch?feature

=endscreen&NR=1&v=kdomJQvxPZE

자기장이 존재한다 ▫ http://www.youtube.com/watch?feature

=endscreen&NR=1&v=kdomJQvxPZE

전류와 자기장

암페어 법칙과 자기장의 세기

• 앙페르 Ampère (프랑스, 1775–1836)는 외르스테드의 실험사실을 수학적으로 정리했다.

• 전선이 만드는 자장의 크기=

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Electromagnetism.svg&page=1

http://en.wikibooks.org/wiki/File:Magnetic_field_of_a_current_carrying_wire.png

로렌츠 힘

• 평행한 전선들 사이에 전류가 흐르면

• 같은 방향의 전류는 인력이 • 다른 방향의 전류는 척력이 • 작용한다. • 전류 사이에 작용하는 힘= ?

DC 와 AC 모터

• http://www.youtube.com/wat

ch?v=Xi7o8cMPI0E

• http://www.youtube.com/wat

ch?v=HWrNzUCjbkk&feature=fvwrel

Faraday (영국, 1791–1867) • 전류와 자석으로 모터를 만들었다. http://www.dailymotion.com/video/xek6ka_james-dyson-demonstrates-michael-fa_tech

• 수은에 자석을 넣고, 전선을 수은에 담근다.

• 전선에 전류를 흘러 보내면 수은에 담겨있던 자석이 전선을 옆으로 밀어내고, 이 상황이 반복되면 전선이 회전한다.

단축모터 만들기 http://www.5min.com/Video/How-to-Make-a-Simple-Homopolar-

Motor-5722862

http://www.youtube.com/watch?feature=endscreen&NR=1&v=KBZ

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기전력

• 자석을 움직여 전류를 만든다.

• 코일 A로 자석을 만들자. • 자석A를 코일 B속으로 넣다 뺐다 하자.

• 코일 B에 전류가 흐른다. (배터리가 만들어졌다.)

• http://www.youtube.com/watch?v=heBUiM-8ToA

• 자석대신 코일을 움직여도 마찬가지다. http://www.youtube.com/watch?v=stUDqGzpev8

A

B

렌츠의 법칙

• 코일은 자석의 변화를 싫어한다. • 코일 속에 자석이 들어오면 코일은 자석을 막아내려 한다.

• 코일 (또는 금속고리) 가 자석의움직임을 막는 방법 ▫ 코일자신이 자석으로부터 멀어진다. ▫ 코일이 자석이 된다. . ▫ http://www.youtube.com/watch?v=r

-31kJyZjmM ▫ http://www.youtube.com/watch?v=otu-

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맴돌이 전류 (eddy current)

http://www.ndt-ed.org/GeneralResources/MethodSummary/ET1.jpg

코일과 역기전력

• 코일은 코일 자신에 흐르는 전류가 변해도 반응한다.

• 코일자신에 전류가 변하면, 원래 자신이 만들고 있던 전자석이 변하기 때문이다.

• 코일은 자신이 만들고 있던 전자석이 바뀌지 않도록 반응을 한다.

https://www.youtube.com/watch?v=tJQTEpVYNok

교류와 역기전력

• 코일에 교류를 흘려 보내자. • 코일은 전류가 흐르지 못하도록 방해하는 기전력을 만들어낸다. (역기전력)

• 역기전력이란 배터리의 극이 바뀐 것과 같다. 전류의 흐름을 방해하는 기전력이다.

• 코일에 전류가 증가하면 전류의 증가를 방해하고, 코일에 전류가 감소하면 전류의 감소를 방해한다.

• 코일은 전류의 흐름이 변하지 않도록 기전력을 보강하게 된다.

코일의 역기전력 • 코일에 교류가 흐르면 역기전력이 생긴다.

• 기전력의 단위는 (볼트)이다. ▫ 역기전력의 –부호는 방해한다는 뜻이다. (전기적 관성을 표시한다, 렌즈의 법칙과 같다.)

▫ 비례상수 L을 인덕턴스라고 부른다. ▫ 인덕턴스의 단위는 헨리 (H): 코일의 모양과 감은 수에 따라 달라진다.

코일에 저장되는 에너지

• 코일에 전류를 쉽게 보낼 수 없다는 것은? ▫ 전류를 보내려면 코일의 방해를 이기고 전류를 흘려보내야 한다는 뜻.

• 외부에서 일을 해주어야만 전류를 보낼 수 있다.

• 코일에 전류가 흐르면, 코일에는 전기에너지가 축적된다. ▫ 코일에 축적되는 에너지=

코일에 축적되는 에너지

• 교류를 보내기 위해 코일에 해주어야 하는 일을 파워로 환산하자

• 파워 = P = i V =

• 코일에 공급해야 하는 에너지

• 코일에 축적된 에너지=

송전에너지

• 발전소에서는 전기에너지를 전류형태로 보낸다. • 전하를 발전소에서 소비자에게 보내기 때문이다. • 발전소에서 전하를 보내기 위해 해야 하는 일은

• 파워는 단위시간 동안 보내는 에너지다.

저항에 의한 열손실

• 전류가 저항을 통과하면 전압이 떨어진다.

• 이때 저항으로 사라지는 파워는 P = IV 를 쓰면

열손실

• 발전소에서 송전선을 따라 보내는 전류는 흐르는 동안 일부가 사라진다. 송전선에 전기 저항이 있기 때문이다.

• 역학적 에너지가 마찰력에 의해 열로 변하듯이 전기에너지 역시 저항에 의해 열로 변한다.

• 열손실을 막기 위해 발전소에서는 고압으로 송전한다.

• 우리나라에서는 154kV나 345kV로 송전한다. 그 이유를 알아보자.

변압기

• 이어지지 않은 회로 사이에 교류가 흐른다.

• 철심에 두 개의 회로를 만들자.

• 한 회로에 교류를 흘리면, 다른 회로에 전류가 유도된다.

• 두 회로는 직접 연결되어 있지 않지만 교류가 흐른다.

• 상호유도라고 부른다. 교류의 변압기 원리다.

알아보기 • (1) 나침반의 바늘이 북쪽을 가리키고 있다. 나침반 바로 아래에 나침반 바늘과 나란하게 전선을 놓았다. 이 전선에 전류를 흘리면, 나침반의 바늘은 어떻게 움직일까?

• (2) 솔레노이드 전자석과 막대 모양의 영구자석이 만드는 자장이 형태를 비교해보자. 솔레노이드 코일의 자장이 막대자석과 비슷하다는 것은 어떻게 짐작할 수 있을까?

• (3) 지구의 남극과 북극에는 오로라가 생긴다. 태양풍이 강하게 불면 오로라가 더 현란해진다. 태양풍은 강한 이온입자이다. 평소에도 우주로부터 강한 이온입자들이 몰아치고 있다. 이러한 이온입자들을 막아주고 오로라를 만드는 역할을 하는 것이 지자기다.

알아보기 • (4) 코일과 자석을 이용하여 기전력을 만들 때 코일을 여러 번 감으면 감은 수에 비례하여 기전력이 커진다. 그 이유는 무엇일까? (힌트: 코일 하나로 만든 배터리를 직렬 연결한 결과와 같다.) 코일을 여러 번 감는 대신 코일의 면적을 넓히면 어떤 결과가 나올까? (이 경우도 배터리를 직렬 연결하는 효과를 준다. 왜 그럴까? )

• (5) 놀이공원에서 탈것을 멈추는 브레이크는 맴돌이 전류를 이용한다. 맴돌이 전류는 알루미늄과 같은 좋지 않은 도체 근방에서 자석이 움직이면 나타나는 현상이다. 맴돌이 전류를 렌츠의 법칙을 이용하여 설명해보자. 맴돌이 전류가 어떻게 브레이크 역할을 하는 것일까? 이처럼 유도전류를 이용하는 전기기기들에 대해 알아보자.

알아보기

• (7) 송전선에 전류를 보낼 때 저항에서 열로 사라지는 전력은 이다. 전류를 줄일수록 열손실이 줄어든다. 그런데 어떤 사람은 공식을 전압으로 바꾸어 쓰기도 한다. 전압과 전류는 의 관계가 있으므로, 열손실을 으로 쓰자. 이 공식에 의하면, 고압으로 보낼수록 열손실이 커지는 것처럼 보인다. 이 결론의 어떤 점이 잘못되었는가?

알아보기

• (8) 한국전력거래소 자료에 의하면 2011년에 우리나라의 최대 전력사용량은 73,131만 kW 이었다. 현재 우리나라에서는 발전소에서 송전할 때 154kV나 345kV의 고압으로 보낸다. 그리고 2005년에는 가정으로 공급하는 전기의 전압도 100V에서 220V로 올렸다. 이러한 승압과정에서 얻을 수 있는 이점은 열손실을 줄이는 이외에 어떤 것이 있을까?