파워 페이지는 「벽 콘센트에서 220V 교류가 들어온다」에서 시작한다. 그 220V가 왜 교류인지, 왜 220V인지는 직류와 교류에서 팠다. 그 글은 「발전기는 돌면서 교류를 만든다」와 「변압기는 감은 수의 비율만큼 전압을 바꾼다」까지만 보고 끝났다. 그 글의 「아직 안 본 것」에 변압기가 감은 수의 비율로 전압을 바꾸는 원리를 남겨 두었다.
그래서 이번에는 그 220V가 콘센트에 오기 전으로 거슬러 올라갔다. Gemini에게 「발전소에서 교류를 어떻게 만드는지」부터 물었다. 이 글은 그 대화에서 이해한 것을 순서대로 남긴다. 중간에 Gemini의 답에서 고쳐야 했던 대목도 같이 적는다.
이 글이 답하는 질문은 넷이다.
- 발전소는 무엇으로 교류를 만드나
- 60Hz는 무엇이고, 왜 그렇게 지키나
- 변압기의 2차 코일을 많이 감으면 왜 전압이 높아지나
- 발전소에서 우리 집까지 전압은 어떻게 바뀌나
절마다 값을 바꿔 볼 수 있는 그림을 하나씩 넣었다. 직류와 교류 글의 그림처럼, 작업대 위에 실물 모형을 놓고 막대 · 단추로 값을 바꾸면 그림과 숫자 칸이 함께 바뀐다. 좌우로 끌면 그림이 돈다.
발전기는 자석을 돌려서 둘레 코일 속 전자를 민다
직류와 교류에서 「전선 가까이에서 자석을 움직이면 전선 속 전자가 밀린다」고 했다. 이것이 전자기 유도다. 발전기는 이것을 아주 크게 만든 기계다.
발전기는 두 부분으로 되어 있다.
- 회전자 — 가운데에서 도는 자석이다. 실제로는 영구 자석이 아니라, 코일에 전기를 흘려 만든 전자석이다
- 고정자 — 회전자 둘레를 둘러싼, 움직이지 않는 구리 코일들이다. 전기는 여기서 나온다
회전자는 축으로 터빈에 이어져 있다. 터빈은 커다란 바람개비다. 화력과 원자력 발전소는 물을 끓인 증기로, 수력은 떨어지는 물로, 풍력은 바람으로 터빈을 돌린다. 연료가 무엇이든 마지막에 하는 일은 같다. 자석을 돌린다.
자석이 돌면 고정자 코일 앞을 N극과 S극이 번갈아 지나간다. 코일 앞의 자기장이 계속 바뀌니 코일 속 전자가 계속 밀린다. 그런데 N극이 지나갈 때와 S극이 지나갈 때 미는 방향이 반대다. 그래서 코일에서 나오는 전기는 방향이 주기적으로 뒤집힌다. 돌려서 만들기 때문에 교류가 저절로 나온다.
작업대 위의 세로축 발전기 모형. 보일러의 증기가 터빈을 돌리고, 같은 축의 회전자(N · S 극이 달린 전자석)가 고정자 코일 앞을 지나갈 때마다 코일이 밝아지며, 계기 화면에 교류 파형과 주파수가 보인다. 극 수와 1초에 도는 바퀴 수를 바꾸면 주파수가 바뀐다.
60Hz는 자석의 극이 코일 앞을 1초에 몇 번 지나가느냐다
Gemini는 처음에 「우리나라 발전소의 터빈은 정확히 1초에 60번 회전한다」고 했다. 그 말을 듣고 나는 「1초에 60번 회전이 중요한 거야?」라고 물었다. 그런데 다시 확인해 보니 1초에 60바퀴는 극이 둘(N 하나, S 하나)인 발전기에서만 맞는 말이다.
먼저 말 두 개를 가른다. 자석이 축을 한 번 도는 것은 회전 한 바퀴, 교류가 + 쪽으로 갔다가 − 쪽으로 갔다가 제자리로 오는 왕복 한 번은 주기 한 번이라고 부른다. 60Hz는 1초에 주기가 60번이라는 뜻이다.
코일 하나에서 보면, 전기의 방향은 N극이 지나갈 때 한 번, S극이 지나갈 때 한 번 바뀐다. 그래서 N극과 S극 한 쌍이 코일 앞을 지나가면 주기가 한 번 끝난다. 주파수는 이렇게 정해진다.
주파수(1초 주기 수) = 1초 회전 수 × 극 쌍 수
2극(극 쌍 1) 발전기 1초에 60바퀴 × 1 = 60Hz (1분에 3,600바퀴)
4극(극 쌍 2) 발전기 1초에 30바퀴 × 2 = 60Hz (1분에 1,800바퀴)
첫 줄은 「극 한 쌍이 지나갈 때마다 주기 한 번」을 1초 동안 센 것이다. 4극 발전기는 회전 한 바퀴 동안 N · S 쌍이 두 번 지나가서, 절반 빠르기로 돌아도 같은 60Hz가 나온다. 수력 발전기처럼 천천히 도는 발전기는 극을 더 많이 달아서 60Hz를 맞춘다. 위 그림에서 극 수만 4극으로 바꾸면 같은 바퀴 수에서 주파수가 두 배(120Hz)가 된다. 바퀴 막대를 30으로 내리면 다시 60Hz다.
그러면 왜 60Hz를 그렇게 지키나. 이유는 셋이다.
- 박자가 곧 전기 쓰는 양과 만드는 양의 저울이다. 집과 공장에서 전기를 더 쓰면 발전기 코일에 흐르는 전류가 커진다. 코일의 전류는 자기장을 만들고, 그 자기장이 돌고 있는 회전자를 거꾸로 붙든다. 그래서 같은 증기로는 회전자가 느려지고 주파수가 떨어진다. 반대로 쓰는 양이 줄면 빨라진다. 그래서 전력망을 운영하는 곳은 주파수를 보면서 발전소 출력을 계속 맞춘다. 주파수가 크게 떨어지면 보호 장치가 일부 지역의 전기를 끊거나 전력망 사이 연결선을 끊어서, 나머지라도 살린다(Wikipedia · Utility frequency)
- 나라 안의 발전기가 모두 같은 박자로 맞물려 돈다. 발전기들은 같은 전선에 물려 있다. 한 발전기가 앞서 나가면, 그 순간 그 발전기의 전압이 다른 발전기보다 높아서 앞선 발전기에서 뒤진 발전기 쪽으로 전류가 흐른다. 바로 위에서 본 대로 코일에 전류가 더 흐르는 발전기는 회전자가 붙들려 늦춰지고, 전류를 받는 쪽은 밀려 빨라진다. 그래서 박자가 벌어지면 저절로 다시 맞는다. 박자가 같은 발전기만 함께 이을 수 있는 이유다(같은 문서)
- 60Hz에 맞춰 만든 기계가 많다. 냉장고 · 세탁기의 모터처럼 60Hz를 기준으로 설계한 기계는 주파수가 흔들리면 빠르기도 흔들린다
60Hz는 박자일 뿐, 전력의 양은 발전기가 내는 전압과 전류에서 나온다
여기서 나는 이렇게 물었다. 「처음 만들 때는 전력이 많이 생겨서 송전탑으로 보내잖아. 그건 왜 전력이 많은 거야? 60Hz인데 크기가 커서 전류가 커서 그런가?」 맞은 것과 틀린 것이 섞여 있었다. 발전기가 커서 전력을 많이 만들고, 그때 전류도 크다는 것은 맞다. 틀린 것은 둘이다. 60Hz는 양과 상관이 없고, 그 큰 전류를 그대로 송전탑에 보내지도 않는다.
60Hz는 몇 번 뒤집히느냐(박자)이고, 얼마나 많이 보내느냐(양)와는 상관이 없다. 양은 직류와 교류에서 본 전력 = 전압 × 전류로 정해진다. 발전기가 크면 자석이 세고 코일이 굵고 많아서, 높은 전압과 큰 전류를 함께 낼 수 있다. 큰 원자력 발전소의 발전기는 출구 전압이 24kV(24,000V)다(이 나라 원자로 APR1400의 발전기가 24kV다, Modern Power Systems). 여기서 1,000MW(1,000,000,000W)를 내려면 전류가 수만 A가 된다.
그런데 그 큰 전류를 그대로 전선에 실어 보내지는 않는다. 전선이 잃는 열은 전류의 제곱으로 커지기 때문이다. 같은 전력을 보내면서 전압을 올리면 전류가 주고, 열로 잃는 몫은 그 제곱으로 준다. 이 계산은 직류와 교류의 「벽이 교류인 까닭」 절에서 이미 했다. 그래서 발전소 바로 옆에 변압기를 두고, 전압을 수십만 V로 올린 뒤 송전탑에 싣는다.
Gemini는 이 대목에서 「전선에서 발생하는 열은 전류의 크기에 비례하여 기하급수적으로 커진다」고 했다. 기하급수는 2배, 4배, 8배처럼 곱해서 불어나는 것이라 맞는 말이 아니다. 전류가 2배면 열은 4배, 10배면 100배다. 열은 전류의 제곱에 비례한다.
전기장은 전기를 띤 알갱이가 있으면 생기고, 전선의 자기장은 전류가 흘러야 생긴다
변압기로 들어가기 전에 나는 「전기랑 자기장은 다른 거야?」라고 물었다. 변압기 설명이 「전기를 자기장으로 바꿨다가 다시 전기로 바꾼다」였는데, 둘이 무엇이 다른지 몰라서였다. 내가 말한 「전기」는 넓은 말이라 둘로 나눠 봐야 했다. 전선 속 전자를 미는 것이 전기장이고, 그렇게 밀려 전자가 움직이는 것이 전류다. 자기장과 견줄 짝은 전기장이다.
- 전기장 — 전기를 띤 알갱이 둘레의 공간에 생겨, 그 안의 다른 알갱이를 밀거나 당긴다. 알갱이가 가만히 있어도 생긴다. 겨울에 스웨터를 벗을 때 머리카락이 서는 정전기가 이 힘이다. 전선 속에는 전자(−)가 늘 있지만, 같은 수의 원자핵(+)과 짝을 이뤄 전체로는 전기를 띠지 않아서 전자를 한쪽으로 밀지 않는다. 건전지나 발전기가 한쪽 끝에 전자를 몰아 −, 다른 쪽을 +로 갈라 놓아야 전선 속에 전자를 미는 전기장이 생긴다. 그 미는 힘의 크기를 전압으로 잰다
- 자기장 — 자석 둘레, 그리고 전류가 흐르는 전선 둘레의 공간에 생겨, 다른 자석과 움직이는 전자를 민다. 전선에서는 전자가 움직여야, 곧 전류가 흘러야 생긴다. 전선에 전류가 흐르면 옆의 나침반 바늘이 돌아가는 것이 이 힘이다
둘은 서로를 만든다. 전기장에 밀려 전류가 흐르면 자기장이 생기고, 자기장이 바뀌면 그 안의 전선에 전자를 미는 전기장(전압)이 생긴다. 발전기와 변압기는 둘을 다 쓴다. 발전기는 회전자 코일에 전류를 흘려 전자석(자기장)을 만들고, 그것을 돌려 자기장을 바꿔서 고정자 코일에 전기를 얻는다. 변압기는 1차 코일의 교류로 바뀌는 자기장을 만들고, 그 자기장으로 2차 코일에 전기를 얻는다.
변압기는 전기를 자기장으로 바꿨다가 다시 전기로 바꾼다
변압기는 네모난 쇠심에 코일 두 개를 감은 것이다. 왼쪽 코일(1차)과 오른쪽 코일(2차)은 전선으로 이어져 있지 않다. 그런데도 전기가 건너간다. 세 단계다.
- 전기 → 자기장(1차 코일) — 1차 코일에 교류가 흐르면 쇠심 속에 자기장이 생긴다. 교류는 방향과 세기가 계속 바뀌니, 자기장도 계속 바뀐다
- 자기장이 건너간다(쇠심) — 쇠는 자기장을 잘 끌어들여서, 자기장이 공기 중으로 흩어지지 않고 쇠심을 따라 2차 코일까지 간다. 쇠심은 자기장이 다니는 길이다
- 자기장 → 전기(2차 코일) — 2차 코일 안의 자기장이 계속 바뀌니, 전자기 유도로 2차 코일의 전자가 밀린다. 이것이 2차 쪽에 새로 생긴 교류다
직류를 넣으면 자기장이 바뀌지 않아 아무것도 건너가지 않는다는 것은 직류와 교류의 변압기 그림에서 「직류」 단추로 볼 수 있다. 이 글에서 새로 판 것은 그다음 질문이다.
2차 코일을 많이 감으면 바퀴마다 생기는 전압이 더해져 전압이 높아진다
나는 처음에 이렇게 짐작했다. 「2차 코일을 많이 감으면 자기장을 더 많이 받아서 전압이 높아지나?」 틀렸다. 쇠심 속 자기장은 1차 코일 안과 2차 코일 안에서 같다. 하나의 쇠심을 지나는 같은 자기장이다.
달라지는 것은 그 자기장을 몇 번 감싸느냐다. 쇠심을 한 바퀴 감싼 전선에는, 자기장이 바뀔 때 전압이 생긴다. 박자(60Hz)는 그대로라도 한 주기 동안 자기장이 오르내리는 폭이 클수록, 곧 같은 시간에 더 많이 바뀔수록 이 전압이 크다. 같은 쇠심을 감싼 바퀴라면 1차든 2차든 몇 번째 바퀴든, 같은 순간에 같은 크기의 전압이 생긴다. 이것을 「한 바퀴 전압」이라고 부르자. 2차 코일을 100바퀴 감으면 그 한 바퀴 전압이 100개 생기고, 그것들은 한 줄로 이어져 있다. 건전지 여러 개를 한 줄로 이으면(직렬) 전압이 더해지는 것과 같다. 1.5V 건전지 두 개를 이으면 3V가 되듯, 한 바퀴 전압 100개를 이으면 100배가 된다.
그러면 한 바퀴 전압은 누가 정하나. 1차 코일이 정한다. 1차 코일도 같은 쇠심을 감싸고 있어서, 자기장이 바뀌면 1차 코일의 바퀴마다 똑같이 한 바퀴 전압이 생긴다. 이 전압은 넣어 준 전압을 거스르는 방향이다. 코일은 언제나 자기장이 바뀌는 것을 막는 쪽으로 전자를 민다(렌츠의 법칙). 1차 코일의 자기장은 넣어 준 전압이 만들고 있으니, 그것을 막는 쪽은 넣어 준 전압의 반대쪽이다. 거스르는 전압이 넣어 준 전압보다 작으면, 남은 차이가 1차 코일의 전류를 더 밀어 자기장을 더 크게 바꾼다. 그러면 거스르는 전압이 커진다. 반대로 거스르는 전압이 더 크면 전류가 덜 밀려 자기장이 덜 바뀐다. 그래서 자기장은 「1차 코일 전체의 거스르는 전압 = 넣어 준 전압」이 되는 크기에서 자리를 잡는다. 1차 코일에 100V를 넣고 10바퀴 감았다면, 10바퀴의 합이 100V여야 하니 한 바퀴 전압은 100 ÷ 10 = 10V다.
한 바퀴 전압 = 1차 전압 ÷ 1차 감은 수 100V ÷ 10바퀴 = 10V
2차 전압 = 한 바퀴 전압 × 2차 감은 수 10V × 100바퀴 = 1,000V
첫 줄이 「1차 코일이 한 바퀴 전압을 정한다」이고, 둘째 줄이 「2차 코일이 그것을 감은 수만큼 더한다」다. 둘을 합치면 직류와 교류 글에서 본 「감은 수의 비율만큼 전압이 바뀐다」가 된다. 1차를 적게 감을수록 한 바퀴 전압이 커지고, 2차를 많이 감을수록 그 한 바퀴 전압을 많이 더한다.
작업대 위의 실험용 변압기. 1차 코일 10바퀴에 100V를 넣으면 한 바퀴에 10V씩 생기고, 오른쪽 탑의 칸이 2차 코일 한 바퀴마다 10V씩 쌓여 100바퀴에서 1,000V가 된다. 양쪽 전류계와 전선 위 전자는 전압이 높아진 2차 쪽 전류가 1A로 1차(10A)보다 작다는 것을 보인다.
여기서 Gemini의 설명 하나를 고쳤다. Gemini는 「2차 코일을 많이 감으면 전자가 가속 발판을 여러 번 밟아 더 빠르게 뿜어져 나간다」고 했고, Gemini가 만든 그림도 2차 쪽 전자가 더 빨리 달리는 것처럼 보였다. 전압이 높아진 쪽은 오히려 전류가 작다. 변압기는 전력을 만들지 않으니 들어간 전력과 나온 전력이 (열로 조금 잃는 것을 빼면) 같다. 1,000W를 넘길 때 1차가 100V면 10A, 2차가 1,000V면 1A다. 위 그림에서 2차 쪽 전류계 바늘이 1차보다 낮고, 2차 전선 위 전자가 덜 떠는 것이 이것이다.
그러면 1차 코일은 2차에 1,000W짜리가 걸렸다는 것을 어떻게 알고 10A를 끌어올까. 2차에 부하를 걸어 2차 전류가 흐르면, 그 전류도 쇠심에 자기장을 만든다. 렌츠의 법칙대로 이 자기장은 1차가 만드는 자기장의 변화를 줄이는 쪽이다. 그러면 1차 코일의 거스르는 전압이 작아지고, 남은 차이만큼 1차 전류가 더 흐른다. 거스르는 전압이 다시 넣어 준 전압과 맞을 때까지 늘어난다. 2차가 전기를 많이 쓸수록 1차가 그만큼 더 끌어오는 길이 이것이다. 「가속」이라는 말은 밀어내는 힘(전압)이 커진다는 뜻으로만 맞다. 전자가 1초에 지나가는 양(전류)은 줄어든다.
발전소에서 우리 집까지 전압은 한 번 크게 올라갔다가 몇 번에 걸쳐 내려온다
이제 220V가 콘센트에 오기까지를 처음부터 끝까지 이을 수 있다. 숫자는 이 나라 전력망 기준이다. 송전 전압 154kV · 345kV · 765kV와 배전 22.9kV는 한전 전력망에서 쓰는 등급이다(에너지경제 · 765kV 송전 시대, KEC 전압 구분).
- 발전기 출구 — 2만 V대(큰 원전 기준 24kV). 앞 절들의 회전으로 만든 교류다
- 승압 변압기 → 송전탑 — 345kV · 765kV(가까운 곳은 154kV). 발전소 바로 옆에서 15만~76만 V로 올린다. 345kV가 전국을 잇는 등뼈이고, 큰 발전소에서 수도권으로 한꺼번에 많이 보낼 때 가장 높은 765kV를 쓴다. 가까운 지역으로 보내는 선은 처음부터 154kV로 올리기도 한다
- 변전소 — 154kV 쪽으로. 345kV · 765kV로 온 전기는 도시 바깥의 큰 변전소에서 154kV 쪽으로 내린다
- 배전 변전소 → 전봇대 — 22.9kV로. 동네 전봇대 위를 지나는 전선의 전압이다
- 전봇대 위 변압기 → 우리 집 — 220V로. 전봇대에 달린 원통형 변압기(아파트는 기계실의 변압기)가 마지막으로 내린다
345kV로 보내는 길이면 전압은 한 번 올라가고 세 번 내려온다(345kV → 154kV → 22.9kV → 220V).
숫자 하나로 묶어 보면 왜 이렇게 하는지가 보인다. 우리 집에서 전기난로 하나(2,200W)를 켰다고 하자. 앞 절에서 본 대로 변압기는 전력을 그대로 넘기니(열로 조금 잃는 것을 빼면), 이 2,200W는 발전소에서 집까지 어느 구간에서든 2,200W다(변압기와 전선이 열로 조금 잃는 몫은 빼고 센다). 22.9kV 선에는 우리 집만 매달려 있지 않지만, 그 선에 흐르는 전류 중 우리 난로 몫만 떼어 보면 2,200 ÷ 그 구간 전압이다.
집 220V 2,200 ÷ 220 = 10A
전봇대 22.9kV 2,200 ÷ 22,900 ≈ 0.096A
변전소 154kV 2,200 ÷ 154,000 ≈ 0.014A
송전 345kV 2,200 ÷ 345,000 ≈ 0.0064A
같은 2,200W인데 송전선에서는 집 안 전선보다 1,500배쯤 작은 전류로 간다. 전선은 길수록 저항이 커서, 같은 전류라도 먼 길일수록 열로 더 많이 잃는다. 그 열이 전류의 제곱으로 커지니, 먼 길일수록 전압을 높여 전류를 줄이는 몫이 크다.
발전소의 발전기 전압이 승압 변압기에서 수십만 V로 올라가 철탑을 지나고, 변전소에서 154kV와 22.9kV로 내려간 뒤 전봇대 위 변압기에서 220V가 되어 집으로 들어가는 작업대 위 축소 모형. 구간을 고르면 그 구간의 전압과 집 하나 몫의 전류가 나온다.
그러면 왜 220V까지 한 번에 내리지 않고 여러 번 나눠 내릴까. 전압이 높을수록 전기가 공기를 뚫고 건너뛸 수 있는 거리가 길어진다. 그래서 높은 전압일수록 전선을 땅과 사람에게서 멀리 떼어야 하고, 전선을 붙드는 애자(전기가 통하지 않는 사기 · 유리로 만든 받침)도 길어야 한다. 수십만 V 선이 높은 철탑에 긴 애자 줄로 매달린 이유다. 사람 사는 곳에 가까워질수록 전봇대로 세울 수 있는 전압(22.9kV)으로, 집 안에서는 만져도 되는 콘센트 전압(220V)으로 단계마다 내린다. 먼 길은 높은 전압으로, 가까운 길은 다루기 쉬운 전압으로 가는 것이다.
중간의 154kV는 지역 안에서 수십 km씩 여러 동네로 나눠 보내는 몫을 맡는다. 345kV에서 바로 22.9kV로 내리면, 지역 전체로 가는 많은 전력을 22.9kV로 실어야 해서 전류가 커지고 그만큼 열로 잃는다. 그래서 「멀리 크게(345 · 765kV) → 지역으로(154kV) → 동네로(22.9kV) → 집으로(220V)」처럼 거리와 양에 맞춰 단계를 둔다.
이 개념을 정리하기까지
시작은 직류와 교류 글의 「아직 안 본 것」이었다. 파워 페이지를 다시 읽다가, 220V가 어디서 오는지를 「발전기는 돌면서 교류를 만든다」 한 줄로만 알고 있다는 것을 알았다. 변압기도 「감은 수의 비율만큼」이라는 결론만 있고 왜 그런지가 없었다. 그래서 Gemini에게 발전소부터 물었다.
처음 꺾인 곳은 「1초에 60번 회전」이었다. Gemini는 터빈이 1초에 60번 돈다고 했고, 나는 그 회전이 60Hz와 같은 것이라고 받아들였다. 글로 옮기면서 확인해 보니 그것은 극이 둘인 발전기에서만 맞다. 4극이면 1초에 30바퀴, 수력처럼 극이 많으면 훨씬 천천히 돈다. 그래서 「주파수 = 회전 × 극 쌍」을 절의 중심에 두고, 발전기 그림에 극 수 단추를 넣었다.
두 번째로 막힌 곳은 「왜 많이 감으면 전압이 높아지나」였다. 나는 「자기장을 더 많이 받아서」라고 짐작했고 틀렸다. Gemini는 건전지 직렬 비유로 답했는데, 나는 「건전지 역할을 한다는 게 무슨 말인지 모르겠다」고 다시 물었다. 다음 답은 「가속 발판을 여러 번 밟는다」였다. 그래도 「왜 감으면 가속이 되는지」가 남았다. 세 번을 물어서 남은 빈자리는 하나였다. 한 바퀴 전압을 누가 정하느냐다. Gemini의 마지막 답에 「1차 코일 1바퀴의 힘과 2차 코일 1바퀴의 힘이 같다」는 규칙이 있었다. 양쪽이 같은 이유(같은 쇠심을 지나는 같은 자기장)는 짧게 있었지만, 그 한 바퀴 전압의 크기를 누가 정하는지는 없었다. 글에서는 그 빈자리를 「1차 코일이 넣어 준 전압과 맞먹을 만큼만 자기장을 바꾼다」로 채웠다. Gemini가 든 비유는 셋이었다. 건전지 직렬, 가속 발판, 그리고 「쇠심 속 회오리바람이 바퀴마다 전자의 등을 민다」다. 건전지 직렬만 남겼다. 가속 발판과 회오리바람은 「전자가 더 빨라진다」로 읽혀서, 2차 쪽 전류가 오히려 준다는 사실과 부딪힌다.
Gemini의 답에서 넷을 고쳤다.
- 「터빈은 정확히 1초에 60번 돈다」 — 2극 발전기에서만 맞다. 주파수 = 1초 회전 수 × 극 쌍 수
- 「전선의 열은 전류에 비례하여 기하급수적으로 커진다」 — 제곱에 비례한다. 기하급수가 아니다
- 「2차 코일 쪽 전자가 더 빠르게 간다」 — 전압이 높아진 쪽은 전류가 작다
- 「주파수가 떨어지면 발전소들이 스스로 공급을 끊어 도미노처럼 멈춘다」 — 찾은 출처는 「보호 장치가 일부 지역 전기를 끊거나 연결선을 끊는다」까지라서, 글은 그만큼만 적었다
확인하지 못한 숫자는 넣지 않았다. Gemini는 전력 관제가 60Hz를 「소수점 단위의 오차 범위 내에서」 맞춘다고 했다. 이 나라 전력망이 정해 둔 주파수 허용 범위를 공식 자료에서 찾지 못해서, 범위 숫자는 쓰지 않았다. 발전기 출구 전압은 Gemini가 10~24kV라고 했고, 그중 24kV만 원자로 APR1400 발전기 자료로 확인했다. 그래서 본문은 「큰 원전 기준 24kV」로 적었다.
그림은 새로 그렸다. Gemini는 대화 중에 대화형 그림 둘을 만들었다고 했지만, 공유된 대화에는 「생성 중」 표시만 남고 그림이 없었다. 남은 것은 이미지와 영상뿐이었다. 그래서 직류와 교류에서 정한 방식대로, 작업대 위 실물 모형에 막대 · 단추를 붙여 셋을 새로 그렸다. 발전기, 실험용 변압기, 발전소에서 집까지의 축소 모형이다. 발전기 그림의 극 수 단추와 변압기 그림의 「2차 쪽 전류가 작다」는, 위에서 고친 두 대목을 그림으로 확인하게 하려고 넣었다.
발전소와 송전에서 아직 안 본 것
- 삼상 교류 — 발전소와 송전선의 교류는 전선 셋에 박자를 120°씩 어긋나게 보내는 삼상이다. 이 글은 전선 하나(단상)로만 셈했다. 앞의 「수만 A」도 단상으로 셈한 대략이다
- 50Hz를 쓰는 나라 — 일본 동쪽과 유럽은 50Hz다. 왜 갈렸는지는 Gemini가 꺼냈지만 따라가지 않았다
- 수십만 V 송전선에 새가 앉아도 안전한 이유 — Gemini가 꺼냈지만 따라가지 않았다
- 발전기 전압을 맞추는 법 — 회전자 전자석의 세기(여자 전류)로 출구 전압을 조절한다는 것까지만 알고, 보지 않았다
- 아주 먼 거리를 직류로 보내는 선(HVDC) — 직류와 교류의 「아직 안 본 것」에 이미 있다
정리
- 발전기는 자석(회전자)을 돌려 둘레의 코일(고정자) 속 전자를 민다. N극과 S극이 번갈아 지나가서 교류가 저절로 나온다
- 주파수 = 1초에 도는 바퀴 수 × 극 쌍 수. 60Hz는 2극이면 1초에 60바퀴, 4극이면 30바퀴다
- 60Hz는 박자이고, 전력의 양은 전압 × 전류다. 전국의 발전기가 한 박자로 맞물려 돌고, 그 박자가 떨어지면 전기를 만드는 양이 쓰는 양을 못 따라가는 것이다
- 전기장은 전기를 띤 알갱이가 있으면 생기고, 전선의 자기장은 전류가 흘러야 생긴다. 둘은 서로를 만든다
- 변압기에서는 코일 한 바퀴마다 같은 전압이 생긴다. 그 크기는 1차 전압 ÷ 1차 감은 수이고, 2차 전압은 그것 × 2차 감은 수다. 전압이 높아진 쪽은 전류가 작다
- 발전기 24kV(큰 원전) → 송전 345 · 765kV(가까운 곳은 154kV) → 변전소 154kV → 전봇대 22.9kV → 집 220V. 먼 길은 높은 전압과 작은 전류로, 가까운 길은 다루기 쉬운 전압으로 간다
자신만의 철학을 만들어가는 중입니다.
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