전기 에너지의 수송

1. 도선에 흐르는 전류와 열의 관계

(1) 전류가 흐르는 도선에는 열이 발생 : 전기 에너지의 일부가 열에너지로 전환되어 손실되기 때문

(2) 전력 : 단위 시간 동안 소모되는 전기 에너지의 양

2. 소모 전력

(1) 소모 전력 : 전기 저항이 인 도선에 흐르는 전류의 세기가 일 때 도선에서 소모되는 전력

(2)전력 손실을 줄이는 방법

① 전류의 세기를 줄이거나 도선의 저항을 줄임

② 송전 전압을 높여 줌 : 같은 전력 를 송전할 경우 전압 를 배 높여 송전하면 송전선에 흐르는 전류의 세기 가 배가 되어 저항 인 송전선에서 소모되는 전력은 배가 된다.

3. 전력 수송

(1) 전력 수송 과정

⇒ ⇒ ⇒ ⇒

(2) 교류 송전의 장단점

① 장점 : 전류의 세기와 방향이 주기적으로 바뀌기 때문에 전자기 유도를 이용하여 전압을 변화시키기가 쉽다.

② 단점 : 전기 기구에서 안정된 전류가 필요하므로, 다시 직류로 바꾸어 주어야 한다.

• 교류 고압 송전선 주변에서는 전류의 변화로 인해 전류 주위에 생성되는 자기장이 변하여 전자기파가 발생하며, 통신에 교란을 줄 수 있다.

• 고전압에서는 큰 전위차로 인하여 공기 중으로 전하가 이동하는 방전이 일어날 수 있어 감전 사고의 위험성이 높아지게 된다.

 

4. 변압기의 원리

(1) 변압기 : 송전 과정에서 전압을 변화시키는 장치

① 변압기의 구조 : 간단한 소형 변압기는 두 개의 코일로 구성됨.

⋅1차 코일 : 교류 입력 전원이 연결된 전자석 부분

⋅2차 코일 : 1차 코일의 자기장 변화에 의한 유도 전류가 흐르며, 전기 기구가 연결되어 사용되는 부분

② 변압기의 원리

⋅1차 코일에 교류가 입력 ➜ 전류의 세기와 방향이 주기적으로 바뀌어 1차 코일 주변 의 자기장이 변함 ➜ 2차 코일에 영향을 주는 자기장의 변화가 일어나서 2차 코일에 전류가 유도됨

⋅유도 전류의 세기 : 패러데이의 전자기 유도 법칙에 따라 코일의 감은 수와 자기력선속의 변화율에 비례

③ 변압기에서 일어나는 전력 손실을 무시할 때 1차 코일에 공급되는 전력 과 2차 코일에 유도되는 전력 , 1차 코일에 걸린 전압의 크기 과 전류의 세기 , 2차 코일에 걸린 전압의 크기 과 전류의 세기 , 코일의 감은 수 일 때

, ,

(2) 변압기의 용도 : 여러 가지 전기 기기나 산업 설비, 공장, 가정에 전압을 승압하거나 감압하여 필요한 전압 공급

 

전기 에너지의 생산

기전력

기전력 저항이 있는 도선에 지속적으로 전류를 흐르게 하기 위해서는 열손실을 보충하여 전기적인 에너지를 계속 공급하는 원천이 있어야 한다. 이를 전원이라 하는데 전지나 발전기는 그러한 역할을 한다. 이러한 전원은 화학적 에너지나 다른 형태의 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주게 되는데 전지는 화학적 에너지를, 발전기는 역학적 에너지를, 태양전지는 빛의 에너지를 이용한다. 전원은 저항체의 양단 전위차를 일정하게 유지시켜주는 능력이 있는데 이 전위차를 기전력(emf: E)이라 하여 전원의 능력으로 삼는다. 실제로 전원의 내부에서는 끊임없이 전하를 기전력만큼 높은 전위로 올려주어야 하는데 이 과정에서의전하 q에 해주는 일은 W=Eq 이 에너지는 결국 전하가 저항체를 돌아서 전원으로 되돌아오면 모두 잃어버리게 된다. _ 발전기_ 저항_ 전류_ 전위_ 전하

직류회로 시간에 따라 변하지 않는 기전력을 직류전원이라 하고 이 직류전원이 축전기나 저항 등에 연결된 회로를 직류회로라고 한다. 보통의 회로에는 저항이나 축전기 등을 여러 가지로 조합하여 사용하게 되는데 이 중에서 저항을 직렬로 연결하거나 병렬로 연결하는 경우 그것의 전체적인 효과를 알아보는 것이 회로이론의 기초가 된다. 저항의 직렬연결 R=R1+R2+... 저항의 병렬연결 1R=1R1+1R2+... ani 저항의 직렬연결과 병렬연결_ 같은 전위차의 직류전원에 전구 세 개를 직렬로와 병렬로 연결하였다. 직력연결인 경우 각 전구에 걸리는 전위차가 줄어들어 전류가 적게 흐르고 따라서 전구에서 나오는 빛이 약하다. 병렬연결인 경우 각 전구에 걸리는전위차는 하나만 있을 때와 차이가 없어서 각 전구에 흐르는 전류와 밝기도 동일하다. 이 경우 세 개가 동시에 켜지므로 밝기는 세배가 될 것이다.  맴돌이 전류  아라고의 원판으로 그 존재를 간단히 알 수 있다. 자기장 내부의 도체판에 대해 가한 자기장을 변화시키면 자기장의 변화를 방해하는 전류가 흐르게 되며 이를 맴돌이전류라고 한다. 또한 자기장 내부에서 도체판을 움직여 도체판에 가해진 자기장이 변화할 때에도 맴돌이전류가 생긴다. 맴돌이전류는 도체가 자기장의 변화에 저항하는 렌츠의 법칙에 의해 나타나며 이 때 전류의 방향은 도체에 가해진 자기장의 변화에 반대되는 자기장을 생성하는 방향으로 결정된다. 맴돌이전류는 자기장의 변화에 저항하는 전류로 이는 자기장 내에서 움직이는 도체의 운동을 방해하는 효과로 나타난다. 전동기나 발전기 등은 자기장을 만드는 부분과 자기장에서 움직이는 도체로 이루어지며 이를 통해 역학적에너지와 전기에너지를 변환한다. 이 때 발생하는 맴돌이전류는 구동부분의 역학적에너지를 줄열 가열(Joule heating)로 소모시켜 효율을 떨어뜨린다. 이를 해결하기 위해서는 자기장 내부의 도체를 낮은 전기전도도를 갖는 물질로 대체하거나 맴돌이전류가 부분적으로 나타나도록 부도체층을 첨가한 재료를 사용한다. 한편 맴돌이전류가 움직임을 감쇄시키는 점을 이용한 예로 맴돌이브레이크가 있다. 이 브레이크는 일반적인 마찰브레이크와는 달리 물리적인 마찰을 이용하지 않기 때문에 마모나 소음 등의 문제에 대해 비교적 자유롭고 전기적으로 제어하기가 쉽다는 장점을 갖는다. 화력발전 화력 발전소는 연료를 공급하는 장치, 연료를 태워 물을 끓이는 장치, 발생한 수증기를 고압으로 만드는 장치, 그리고 터빈이 연결된 발전기로 구성되어 있다.

석탄화력의 발전원리를 간단하게 살펴보면, 보일러에 화석원료를 연소시켜 얻은 에너지로 물을 끓여 증기로 만들고, 그 증기로 터빈을 회전시켜 회전력을 얻은 후 터빈 축에 연결된 발전기로 전기를 얻는 것입니다.

• ① 석탄화력 발전소는 보일러를 기동할 때에는 유류를 사용하고, 정상 운전중에는 유연탄을 사용하도록 되어 있습니다.
• ② 연료인 유연탄은 외국에서 배로 싣고 와서 저탄장에 야적해 두었다가 상탄기에 의해 저탄조로 운반하여 석탄 이송기에 의해 석탄분쇄기에 들어가서 석탄이 분쇄되면, 분쇄된 석탄은 일차통풍기의 공기에 의해 보일러에 들어가게 됩니다.
• ③ 연소에 필요한 공기는 압입통풍기(FD Fan)로 가압하여 공기예열기(A/H)에서 배기가스의 열로 예열시킨 후 보일러에 공급합니다.
  보일러에서 나오는 연소가스는 공기예열기에서 연소용 공기에 열을 전달하고, 전기집진기에서 재가 완전히 제거된 후 탈황설비를 통해 SOx가 제거된 후 유입통풍기에 의해 굴뚝으로 배출됩니다.
• ④ 보일러에 공급된 물은 보일러 벽을 형성하고 있는 수관을 지나면서 연료의 연소 열에 의해 가열되어 물의 전부가 증발되면서 1차, 2차 과열기를 통하면 과열증기로 변환 후 고압 터빈으로 들어갑니다.
• ⑤ 그 주증기는 고압터빈을 돌리고 난 후 보일러 재열기에서 다시 가열되어, 중압터빈 및 저압터빈을 돌린 후 복수기로 들어와서 해수에 의해 냉각되어 보일러 용수로 재 사용됩니다.
• ⑥ 복수기에 들어온 증기를 냉각시키기 위한 해수는 순환수펌프에 의해 복수기에 공급되며, 복수기를 거친 해수는 방수로를 통해 흘러 나갑니다.
• ⑦ 전기는 터빈축에 연결되어 운전되는 발전기에서 22,000[V]로 생산하여 주변압기에서 345,000[V]로 전압을 높여 송전선을 통해 송전됩니다.

전자기파 센서와 정보 인식

1. 전자기파 공명

(1) 전파 발생 장치와 수신 장치의 공진 주파수가 서로 같을 때 공명 현상이 발생하여 수신 장치의 회로에 전류가 잘 흐르게 된다.

(2) 전파 발생 장치와 수신 장치에서의 안테나는 코일 또는 축전기의 역할을 한다.

▲전자기파 공명 장치

 

2. RFID

(1) RFID : 전파를 사용하여 물체의 정보를 비접촉식 방식으로 송⋅수신하고 이와 관련된 서비스를 제공하는 것

(2) RFID의 원리

① RFID 시스템은 크게 태그(tag), 리더(reader), 호스트(host)로 구성된다.

• 태그 : 태그가 부착된 물체의 정보를 리더로 보내는 장치

• 리더 : 태그에서 보내온 정보를 수집⋅판독하는 장치로, 수동형 태그의 경우 태그로 에너지를 공급하는 역할도 한다.

• 호스트 : 리더에서 수집⋅판독한 정보를 저장하고 처리하는 장치

② 리더와 태그는 서로 공진 주파수가 같다.

(3) RFID 시스템 작동 순서

① 리더에서 리더에 포함된 안테나로 전파를 내보낸다. 능동형 태그에는 이 과정이 없다.

② 태그는 리더가 보낸 전파를 수신하여 IC 칩에 에너지를 공급한다. 능동형 태그는 자체 전원으로 IC 칩에 에너지를 공급한다.

③ 태그의 안테나로 IC 칩의 정보를 전파로 내보낸다.

④ 리더의 안테나로 태그에서 보낸 정보를 수집⋅판독한다.

⑤ 리더로 수집⋅판독한 정보를 변환하여 호스트로 보내서 저장⋅처리한다.

▲RFID 시스템의 작동 방식

(4) RFID 태그의 종류

① 태그가 자체 전원을 가지고 있는지의 여부로 수동형 태그와 능동형 태그를 구분한다.

② 수동형 태그는 자체 전원이 없고 리더에서 보낸 전파를 에너지원으로 한다. 이 때문에 출력이 약하여 감지 거리가 짧지만, 크기가 작고 건전지 교체가 필요 없다.

③ 능동형 태그는 자체 전원을 가지고 있기 때문에 출력이 강하여 감지 거리가 길다. 하지만 상대적으로 크기가 크며, 건전지를 주기적으로 교환해야 한다.

(4) RFID의 활용 : 무인 도서 예약 대출 시스템, 신분증, 도로 통행료 징수 시스템, 교통 카드 등

(5) RFID와 바코드의 비교

 

 

 

 

 

전기 신호의 조절

1. 전기 신호의 진동수별 크기 조절

(1) 교류 주파수에 따른 전류의 변화

① 저항만 있는 회로에서 교류의 주파수는 전류의 세기에 영향을 주지 않는다.

② 코일에 흐르는 교류의 주파수가 클수록 전류의 세기는 약해진다. 교류의 주파수가 작아지면 코일은 전류의 세기에 거의 영향을 주지 않는다.

③ 축전기에 흐르는 교류의 주파수가 작을수록 전류의 세기는 약해진다. 교류의 주파수가 커지면 축전기는 전류의 세기에 거의 영향을 주지 않는다.

(가) 주파수가 작은 교류 (나) 주파수가 큰 교류

 

(가) 저항-코일 회로 (나) 저항-축전기 회로

▲주파수에 따른 전류의 변화 그래프

(2)코일과 축전기에 따른 전류의 변화

① 저항이 커지면 교류의 주파수와 관계없이 전류의 세기는 약해진다.

② 코일의 자체 유도 계수가 클수록 교류 전류의 세기는 약해진다. 자체 유도 계수가 작아지면 코일은 전류의 세기에 거의 영향을 주지 않는다.

③ 축전기의 전기 용량이 작을수록 교류 전류의 세기는 약해진다. 전기 용량이 커지면 축전기는 전류의 세기에 거의 영향을 주지 않는다.

(가) 저항-코일 회로 (나) 저항-축전기 회로

▲자체 유도 계수와 전기 용량에 따른 전류의 변화 그래프

2. 코일과 축전기의 활용

(1) 고주파 통과 필터와 저주파 통과 필터

	고주파 통과 필터	저주파 통과 필터
	주파수가 큰 전류만을 잘 흐르게 하는 전기 회로	주파수가 작은 전류만을 잘 흐르게 하는 전기 회로
코일을 이용한 필트	RL 회로에서 코일에 병렬로 연결한 기구	RL 회로에서 저항에 병렬로 연결한 기구
축전기를 이용한 필터	RC 회로에서 저항에 병렬로 연결한 기구	RC 회로에서 축전기에 병렬로 연결한 기구

 

(2) 정류기로 이용되는 축전기

(가) 오실로스코프를 저항에 병렬로 연결한 회로	(나) 회로 (가)에 다이오드 4개를 추가로 연결한 회로	(다) 회로 (나)에 축전기를 추가로 연결한 회로
전류의 방향이 시간에 따라 변한다.	전류가 한쪽 방향으로만 흐른다.	거의 일정한 전류가 흐르게 된다.