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전기
전기(Electricity)는 양과 음의 부호를 가진 두 종류의 전하가 발생시키는 물리현상을 총칭하는 말이다. 마찰전기처럼 물질에 대전한 채로 이동하지 않고 고여 있는 전기인 정전기나 전류, 번개 등의 직접적인 원인이 되기도 한다.
개요
전기는 전하에 의해 발생하는 다양한 자연현상을 칭한다. 전기는 다른 에너지와 달리 변환이 용이하고 큰 손실 없이 광범위한 영역에 동시 공급을 할 수 있다. 또한 눈에 보이진 않지만 굉장히 유용한 에너지로 여러 가지 일을 하고 있고 운송, 난방, 빛, 통신, 계산을 포함하는 거의 무제한으로 응용될 수 있다. 따라서 전기는 현대 산업 사회의 중추이며 전기자동차, 배터리 등 거의 전 분야에서 사용되고 있다.[1]
역사
고대 그리스 과학자 탈레스는 BC 600년경 호박을 모피에 문지르면 전하를 띠게 되어 가벼운 물체를 잡아당기는 것을 보고, 최초로 전기현상을 발견했다. 호박을 의미하는 그리스어인 엘렉트론에서 일렉트리시티라는 말이 유래된 것으로 전해진다. 16세기 말 영국의 윌리엄 길버트는 자석에 대한 연구로 호박이 지니는 인력 즉, 전기력과 자석의 인력인 자기력과의 차이를 처음으로 명확히 밝힌다. 1752년 미국의 벤저민 프랭클린은 연을 이용한 실험을 통해 번개의 전기적 성질을 증명한다. 프랑스의 물리학자 뒤페는 전하에 양과 음의 구별이 있다는 사실을 발견하였다. 그 후, 프랑스의 토목공학자 쿨롱은 전하를 띤 두 물체 사이에 작용하는 전기력에 관한 쿨롱의 법칙을 발견하였다. 이탈리아의 물리학자 볼타는 볼타전지라 불리는 화학전지를 발명하였고 영국의 물리학자 톰슨은 전자의 존재를 발견하여 원자물리학의 발전에 공헌하였다.[2]
원리
전기는 흐르는 성질을 가졌고 전기가 흐르는 물질을 도체로 구분하고 도체를 통해 흐르는 전기를 에너지로 활용한다. 도체는 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있는데 그 중 전선은 발전소에서 생산된 전기를 도선에 따라 길게 흐르게 해주는 도체이고 배터리에 들어있는 흑연, 전해질 등고 도체의 종류이다. 이러한 도체에 전기가 흐르는 원리는 영국의 물리학자이자 1906년 노벨 물리학을 받은 톰슨이 자유 전자를 발견하면서 밝혀졌다. 모든 물질은 원자로 이루어져 있는데 이 원자는 여러 입자로 이루어져 있다. 원자의 중심에는 플러스 전기를 가진 양자와 전기를 갖지 않은 중성자로 이루어진 원자핵이 있고 그 둘레를 마이너스 전기를 가진 전자가 돌고 있다. 보통의 물질은 양자의 수와 전자의 수가 같기 때문에 물질 전체의 성격이 중성이다. 하지만 원자핵과 전자의 결합은 물질에 따라 바깥쪽 궤도를 돌고 있는 전자가 원자핵에 비교적 약하게 결합되어 있다. 이런 경우, 열, 빛, 마찰 등의 에너지를 받게 되면 그 전자는 궤도에서 벗어나 자유롭게 이동하게 되고 이것을 자유전자라고 칭한다. 이 자유전자가 이동함으로써 전기가 흐르게 된다.[3]
관련 개념
- 전류
전류는 강에 물이 흐르는 것과 같이 전선을 통해 흐르는 전기의 양을 나타낸다. 전기의 양은 암페어(A)라는 단위를 사용하여 표시한다.
- 전압
전압은 두 점간의 전위차를 말하며 전류를 흐르게 하는 힘이다. 전압은 폭포의 높이에 비유될 수 있는데, 동일한 양의 물이라도 낮은 곳에서 떨어진 물보다 높은 곳에서 떨어지는 물의 힘이 더 세다. 이와 같이 전압이 높으면 흐르는 전기의 힘도 강해진다. 전압은 볼트(V) 단위를 사용한다.
- 저항
저항은 전기의 흐름을 어렵게 하는 방해 요소를 말한다. 저항이 작아 전기가 잘 흐르는 물질을 도체라고 하며, 저항이 커서 전기가 잘 흐르지 않는 물질을 부도체라고 하며 그 중간영역을 반도체라고 한다. 따라서 전압이 높을수록, 전류가 많을수록, 저항이 작을수록 전기의 힘은 커진다.
- 직류와 교류
직류는 시간이 지나도 그 크기와 방향이 변하지 않는 반면 교류는 시간이 지남에 따라 그 크기와 방향이 주기적으로 변한다. 직류는 변화가 없으므로 각종 노이즈 발생이 적어 전지의 충전이나 전기분해, 전자회로의 전원으로 사용된다. 반면 교류는 변압기만 이용하면 자유롭게 전압을 언제든지 바꿀 수 있고, 전력손실이 적다는 장점이 있어 발전, 송전, 배전에 이용한다. 우리나라 발전소에서 만들어지는 교류는 1초에 60번씩 변하며 즉, 주파수가 60㎐이다.
- 직렬과 병렬
직렬연결은 한 전지의 양극을 다른 전지의 음극과 연결하는 방법이다. 이 때 전압은 각 전지 전압의 합과 같다. 예를 들어 전압 1.5V 건전지 3개를 직렬 연결하면 4.5V가 된다. 따라서 전압을 높여서 사용할 때 직렬접속이 사용된다. 병렬연결은 각 전지의 양극은 양극끼리, 음극은 음극끼리 같은 극을 공통으로 연결하는 것이다. 이때의 전압은 전지 1개의 전압과 같지만 전지의 수명은 전지의 개수만큼 늘어나게 되며 즉, 전지를 사용할 수 있는 시간은 전지의 수에 비례한다.[4]
생산 방법
전기를 만들기 위해서 터빈과 전자석의 회전이 필요하다. 터빈은 회전날개와 회전축으로 구성되는데, 수력, 풍력, 태양력, 화력, 원자력 등의 에너지를 이용하여 회전시키다. 터빈이 회전하면서 발전기 안의 전자석으로 된 원통이 함께 돌게 되며 발전기 안에서는 음극과 양극이 계속 바뀌면서 전류가 흐르게 된다. 최초의 발전기는 영국의 화학자이자 물리학자인 패러데이 박사가 개발했는데 그는 자석으로 전기를 만들 수 있을 것이라고 생각하였고 실제로 전선을 고리모양으로 감은 후 그 고리에 막대자석을 넣었다 뺐다 하는 실험을 통해 전기가 흐른다는 것을 발견했다. 패러데이 박사는 유자 모양의 말굽자석과 구리원판으로 발전기를 만들어 말굽자석 사이에 높인 구리원판을 돌리면 전기가 만들어졌는데 이것이 발전기의 원리가 되었다.
| 구분 | 수력 | 석탄 | 유류 | 가스 | 원자력 | 대체에너지 | 합계 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 발전량(GWh) | 7,698 | 193,555 | 9,568 | 96,005 | 147,763 | 7,753 | 462,343 |
| 점유율(%) | 1 | 42 | 2 | 21 | 32 | 2 | 100 |
| 구분 | 수력 | 석탄 | 유류 | 가스 | 원자력 | 대체에너지 | 합계 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 발전량(GWh) | 6,412 | 25,379 | 5,337 | 18,423 | 18,716 | 4,560 | 78,827 |
| 점유율(%) | 8 | 32 | 7 | 23 | 24 | 6 | 100 |
원자력발전
원자력발전은 원자로 안에서 우라늄이 핵분열을 일으킬 때 생기는 막대한 열을 이용하여 증기를 만들고 그 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다. 우리나라는 21기의 원자력발전소를 가동하고 있는데, 미국, 프랑스, 일본, 러시아, 독일에 이어 세계 6위의 규모이다. 이처럼 원자력은 급증하는 전력수요에 발맞춰 안정적인 전력공급을 가능하게 해주며 국가산업발전의 원동력이 되고 있다.
| 발전소 | 설비용량(MW) | 사용연료 | 원자로형 | |
|---|---|---|---|---|
| 고리원자력 | 1호기 | 587 | 저농축(2~4%) 우라늄 | 가압경수로형 |
| 2호기 | 650 | |||
| 3호기 | 950 | |||
| 4호기 | 950 | |||
| 신고리1호 | 1,000 | 가압경수로형 | ||
| 월성원자력 | 1호기 | 678.7 | 천연(0.72%) 우라늄 | 가압중수로형 |
| 2호기 | 700 | |||
| 3호기 | 700 | |||
| 4호기 | 700 | |||
| 영광원자력 | 1호기 | 950 | 저농축(2~4%) 우라늄 | 가압경수로형 |
| 2호기 | 950 | |||
| 3호기 | 1,000 | |||
| 4호기 | 1,000 | |||
| 5호기 | 1,000 | 가압경수로형(개선형 한국표준원전) | ||
| 6호기 | 1,000 | |||
| 울진원자력 | 1호기 | 950 | 저농축(2~4%) 우라늄 | 가압경수로형 |
| 2호기 | 950 | |||
| 3호기 | 1,000 | |||
| 4호기 | 1,000 | |||
| 5호기 | 1,000 | 가압경수로형(개선형 한국표준원전) | ||
| 6호기 | 1,000 | |||
수력발전
수력발전은 댐을 만든 뒤 수로를 통해 높은 곳에서 낮은 곳으로 떨어지는 물의 힘으로 수차를 돌려 전기를 생산하는 방식이다.[4] 즉, 높은 곳의 물이 가지고 있는 위치에너지를 이용해서 전기를 일으킨다. 물이 떨어지는 힘으로 수차를 돌리면, 수차의 축에 붙어있는 발전기가 돌아가게 되어 전기가 발생하는 것이다. 수차에도 여러 가지 종류가 있으나, 대부분의 발전소에서는 물의 압력을 이용하는 프랜시스 수차가 쓰이고 있지만 물의 낙차가 큰 곳에서는 분출시킨 물의 충동으로 회전시키는 펠톤 수차가 사용된다. 그밖에 프로펠러를 회전시키는 방식의 카플란 수차나 프로펠러 수차 등도 사용된다. 그러나 우리나라의 팔당수력발전소와 같이 흐르는 물의 양은 많으나 낙차가 적은 곳에는 발브 수차가 쓰인다. 수력발전기술은 2005년 이전에는 시설용량 10MW이하를 소수력으로 규정하였으나, 신에너지 및 재생에너지 개발이용보급촉진법에서는 소수력을 포함한 수력 전체를 신재생에너지로 정의하였다. 신재생에너지 연구개발 및 보급 대상은 주로 발전설비용량 10MW이하를 대상으로 하고 있으며 발전차액지원제도는 5MW이하를 지원하고 있다.
| 수차의 종류 | 특징 | ||
|---|---|---|---|
| 충동수차 | 펠톤수차, 튜고수차, 오스버그수차 | 수차가 물에 완전히 잠기지 않는다.
물은 수차의 일부 방향에서만 공급되며, 운동에너지만을 전환한다. | |
| 반동수차 | 프란시스수차 | 수차가 물에 완전히 잠긴다. | |
| 프로펠러수차 | 카플란수차, 튜브라수차, 벌브수차, 림수차 | 수차의 원주방향에서 물이 공급된다.
동압 및 정압이 전환된다. | |
화력발전
화력발전은 석탄이나 석유, 가스를 연료로 하며 보일러에서 물을 끓여 만들어진 증기의 힘으로 터빈을 돌려 전기를 생산하는 방식이다.[4] 화력발전은 열원 및 원동기에 따라서 크게 기력발전, 내연력발전, 특수화력발전으로 나누어진다.기력발전은 석탄·석유 등의 화석 연료를 연소시킬 때 발생하는 열에너지로 증기를 만들고 이것을 열기관에 보내어 기계적 에너지를 얻고 이 기계적 에너지로 회전기를 회전시킴으로써 전기적 에너지를 얻는 방식이다. 원자력발전은 연료가 원자력에 의한 열이라는 점을 제외하면 석탄이나 중유에 의한 발전과 같으며, 기력발전에 포함된다. 내연력발전은 기체연료 또는 액체연료를 기화시킨 다음 점화, 폭발될 때 얻어지는 고압력의 가스를 직접 이용해서 기계적 에너지를 얻고 이 기계적 에너지를 이용하여 회전기를 회전시킴으로써 전기적 에너지를 얻는 방식이다. 특수화력발전은 열공급발전, 폐열이용발전, 이류식발전, 지열발전, 가스터빈발전 등이 있다.[6]
각주
- ↑ 〈전기〉, 《위키백과》
- ↑ 〈전기〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 삼성SDI㈜, 〈스디의 50가지 비밀 – 1. 전기란 무엇인가?〉, 《삼성SDI㈜ 스토리》, 2020-02-05
- ↑ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 한국전력공사 공식 홈페이지 - https://home.kepco.co.kr/kepco/KO/H/htmlView/KOHAHP00101.do?menuCd=FN050101
- ↑ 녹색에너지연구원 공식 홈페이지 - http://www.gei.re.kr/bbs/board.php?bo_table=bbs4_01&wr_id=12
- ↑ 〈화력발전(火力發電)〉, 《한국민족문화대백과사전》
참고자료
- 〈전기〉, 《네이버 지식백과》
- 〈전기〉, 《위키백과》
- 삼성SDI㈜, 〈스디의 50가지 비밀 – 1. 전기란 무엇인가?〉, 《삼성SDI㈜ 스토리》, 2020-02-05
- 한국전력공사 공식 홈페이지 - https://home.kepco.co.kr/kepco/KO/H/htmlView/KOHAHP00101.do?menuCd=FN050101
- 녹색에너지연구원 공식 홈페이지 - http://www.gei.re.kr/bbs/board.php?bo_table=bbs4_01&wr_id=12
- 〈화력발전(火力發電)〉, 《한국민족문화대백과사전》
같이 보기
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