전력

전력(Electric Power)은 단위 시간당 전달되는 전기에너지로, 전력의 단위는 대부분 와트(W) 또는 킬로와트(kW)를 사용한다.

개요

전력은 단위시간 동안 다른 형태의 에너지로 변환되는 전기에너지이다. 1W는 1암페어(A)의 전류가 1V의 전압이 걸린 곳을 흐를 때 소비되는 전력의 크기다. 실생활에서는 단위시간에 사용하는 전기에너지인 전력보다 일정 시간 동안 사용한 전체 전기에너지의 양이 중요하다. 그러므로 전력에 사용 시간을 곱한 전력량을 주로 사용한다. 전기요금은 전력량에 따라 부과된다. 전력량은 도선을 통해 공급되는 전기에너지의 양을 의미하고 전력을 시간에 대해 적분한 값으로서 단위는 W·s이다. 전력회사에서는 전력량에 따라 전기요금을 매기는데 이때 쓰는 단위는 KW·h이다. 이 단위는 1000W의 전력을 1시간 동안 사용한 에너지이며 이를 국제표준 단위로 환산하면 3,600,000J에 해당한다.

원리

옴의 법칙

전기 흐름의 방해하는 작용을 전기 저항이라 하며, 저항이 클수록 전류는 적게 흐른다. 1826년, 독일의 옴은 전압과 전류와 저항의 관계를 정리하여 “전압이 커지면 커질수록 전류의 세기가 세지고 전기 저항이 크면 클수록 전류의 세기는 약해진다”는 옴의 법칙을 발견하였다. 즉, 회로에 흐르는 전류의 크기는 전압에 비례하고 저항에 반비례한다. 전기회로를 회로에 전류가 흘러 저항을 통과하면 저항에는 옴의 법칙에 따라 전압이 생기는데 이때 저항에 생기는 전압을 전압강하라 한다. 저항에 생기는 전압 I=V/R로 구하게 된다. 더불어 옴의 법칙은 전기회로 내의 가장 중요한 3요소인 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 나타내는 법칙이기 때문에 회로의 특성을 파악할 때 가장 기본적으로 사용한다. 따라서 회로 전체로 범위를 설정하거나 회로의 일부분을 설정하여도 모두 적용할 수 있다. 직류회로와 교류회로 모두 적용 할 수 있고, 저항 이외의 저항체가 존재할 경우에는 저항 대신 임피던스를 사용한다.

줄의 법칙

줄의 법칙은 저항체에 흐르는 전류의 크기와 이 저항체에서 단위 시간당 발생하는 열량과의 관계를 나타낸 법칙이다. 전류에 의해 생기는 열량은 전류의 세기의 제곱, 도체의 전기저항, 전류가 흐른 시간에 비례하며, 이 열은 J이지만 cal 단위로 나타낼 수 있다. 도체에 전류가 흐를 때 발생하는 열인 줄열에 대해 발견한 법칙이다. 1840년 제임스 줄은 전류가 열을 발생시킨다는 점에 주목하여 저항을 통과하는 전류가 발생시키는 열은 흘려준 전류의 제곱에 비례한다는 법칙을 발견하였다. 즉, 전류에 의해 생기는 열량 Q는 전류의 세기 I의 제곱과 도체의 전기저항 R과 전류를 통한 시간 t에 비례한다. 전류의 단위인 A, 전기저항의 단위인 옴(Ω)을 사용하면, 이 전류를 t 초 동안 흐르게 했을 때 발생하는 열량은 cal 단위로 Q=0.24 I² Rt 라는 식을 얻을 수 있다. 이 법칙은 전류의 정상, 비정상과 관계없이 적용된다. 더불어 줄의 법칙은 전기 용접기, 전기용광로, 전기 난로, 전기 밥솥, 다리미, 백열 전구 모두 이용되고 있다.

구분

직류전력

직류전력은 단순히 전압과 전류의 곱으로 부하 전압과 회로에 흐른 전류뿐 그 밖에 요소는 존재하지 않는다. 또한 전원의 전압은 일정하고 회로를 흐르는 전류도 부하에 따라 일정하다. 직류는 양극과 음극을 가진 전기로 시간이 지나도 전류와 전압이 일정하다. 보통 전력 손실을 최소화하면서 전기를 멀리까지 보내기 위해 전기의 세기인 전압을 높이지만 토머스 에디슨이 직류를 주장하던 당시에는 직류의 전압을 올릴 만한 기술력이 없었다. 미국 전역에 직류로 전기를 공급하려면 송전 거리가 짧아 발전소를 도시 인근에 빼곡히 건설해야 했다. 하지만 직류 전력망이 다시 가능해진 것은 발전한 기술 발전 중 고압 직류송전(HVDC)가 핵심이다. 고압 직류송전은 고압의 교류를 직류 전기로 바꿔 송전하는 방식으로 교류와 직류를 바꿔주는 전력 반도체 기술이 발달하면서 가능해졌다. 한국전력공사는 제주도와 육지를 고압 직류송전 방식으로 연결했고, 동해안과 수도권을 연결하는 고압 직류송전도 추진하고 있으며 국가 간 송전망 구축에도 이 기술이 확대되는 추세다. 이론적으로 직류는 교류보다 전력 손실이 적어 효율적인데, 100의 전력을 보낸다고 할 때 직류는 100 그대로 보내면 된다. 이처럼 직류 전압은 교류 전압의 최댓값에 비해 크기가 약 70％이기 때문에 절연도 쉽고 사고가 났을 경우 손쉽게 전력망을 분리해 운영할 수 있어 대정전인 블랙아웃 사태도 사전에 방지할 수 있다.

교류전력

교류전력은 직류전력과 달리, 고려해야 하는 요소가 존재하는데 전압과 전류에 실효치를 사용해야 하고 전압과 전류 사이는 위상차가 있으며 전력을 소비하는 비율을 나타내는 역률 등이 있다. P는 전압과 전류의 실효 값을 V, I 사이의 위상차를 θ로 나타낸다. 교류전력은 유효전력인 P와 무효전력인 Q, 피상전력 S가 있다.

• 유효전력 : P로 나타내며 W를 사용한다. 전력은　P=VIcosθ으로 나타내지만, 이는 실제로 부하로 소비되는 전력인 소비전력을 말하며 이것을 유효전력이라고 부른다. 단순한 전력은 대부분 유효전력을 뜻하고 cosθ를 역률(power factor)이다. 즉 유효전력은 부하로 실제 소비되는 전력이다.
• 무효전력 : 전압과 90도의 위상차가 있는 전류 Isinθ와 전압 V의 곱이다. 무효전력은 실제로 부하로 전기에너지로 소비되지 않는 전력으로 Q로 나타내며 단위는 var를 사용한다. 부하에 접속된 전동기, 모터 등의 유도성 리액턴스나 정전용량에 의한 용량성 리액턴스에 의해 발생한다. 즉 무효전력은 전력을 소비하지 않는 만큼의 전력이다.
• 피상전력 : 단순히 교류의 전압 V와 전류 I의 곱을 나타내고 전원에서 송출되는 전력이다. 피상전력은 S로 나타내고 VA 단위를 사용한다. 즉 피상전력은 전원에서 보내는 전력이다.

참고자료

• 〈전력〉, 《네이버 지식백과》
• 〈전력〉, 《네이버 지식백과》
• 사이언스올, 〈1826년 옴의 법칙 발견〉, 《사이언스타임즈》, 2004-12-06
• 〈옴의 법칙〉, 《멀티스페이스》
• 사이언스올, 〈옴의 법칙〉, 《사이언스올》, 2015-09-09
• inyoungeun, 〈줄의 법칙 (Joule’s law, ─法則)〉, 《워드프레스》, 2016-04-04
• 야라바, 〈전류의 발열 작용 - 전기기능사 이론 공부〉, 《티스토리》, 2019-04-08
• 다사랑, 〈직류전력과 교류전력의 차이〉, 《네이버 지식백과》, 2020-10-27
• 유지한 기자, 〈직류냐 교류냐… 100년 만에 '2차 전류 전쟁'〉, 《조선비즈》, 2019-08-29

같이 보기

• 전기에너지
• 에너지
• 한국전력공사

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