전압

1 정의

Voltage
電壓

착각하지 말자. 전압은 전기적인 압력이 절대로 아니다. 전압은 전기적인 포텐셜 차이로 물리에서 위치에너지에서의 변위라고 생각하면 된다. 때문에 동의어로 전위차가 있다. SI 단위는 V(볼트).

1 C의 전하가 1 J의 에너지를 얻거나 잃을 때의 전위차를 1 V(볼트)로 정의한다. 따라서 V는 J/C의 차원에 해당한다. 또한 1A의 전류가 1옴의 저항을 통과할때의 전위차가 1V이다.

1.1 쉬운 설명

조금 알기 쉽게 얘기하면, 양전하[1]는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데, 이 때 전하가 이동한 두 지점 사이의 전위의 차이를 전압이라고 한다. 전기를 주로 물에 비유하게 되는데, 전류가 단위시간당 흐르는 물의 양이라면 전압은 물의 높이 차이라고 보면 된다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지를 갖고 있듯이, 전압(전위차)이 클수록 더 많은 전기 에너지를 갖고 있다. 또한 높이 차이가 없으면 물이 흐르지 않듯이 전압이 0이라면 전류가 흐르지 않는다.[2]

1.2 기전력과 전압

기전력은 도체에 전위차(전압)을 생기게 하고 그 전위차를 유지함으로 전류를 흘리게 하는 능력을 가리킨다. 단위 전하당 한 일의 양이라고 할 수 있다. 전압과 기전력은 서로 크기는 같을지 몰라도 의미는 다르다. 미끄럼틀로 올라가는 것과 미끄럼틀을 내려가는 것은 같은 높이를 가질지라도 일의 부호가 다른 것과 같다. 기전력에 의해 단위 전하는 에너지를 받고 전압만큼 에너지를 잃는 것이다.

2 접지

흔히 접지[3]라는 개념과 같이 쓰이게 되는데, 접지는 거대한 하수도의 개념으로 보면 된다. 접지의 상대적인 전압은 무조건 0V이며 회로에서 보통 전원의 (-)극에 연결하면 되나 특정회로에서는 정말로 접지선으로 따로 빼야하는 경우도 많다.

일반적으로 간단한 회로를 설계할 때는 (-)극을 접지로 놓고, 특정 전압이 필요한 회로를 설계할 때 한쪽은 적절한 전압이 가해지는 (+)극에, 다른쪽은 귀찮으니깐 그냥 접지로 때려버린다. 회로도와 실제 제품의 회로의 차이가 생기는 이유.

전압은 상대적인 값이기 때문에 반드시 두 지점 이상의 측정이 필요하다. 예를 들면 한쪽이 접지에 대해 +20V이고 한쪽이 +10V라면 두 지점의 전압은 10V이다.

3 쇼트

전기가 흐르기 위해서는 반드시 전위차가 필요하므로, 두 지점의 전위차가 0이라면 무엇을 해도 전기가 흐르지 않는다. 흔히 '쇼트(Short)났다'라고 하는 것이 각 지점이 연결되어 전위차가 0이 되며 옴의 법칙에 의해서 전류가 무한대로 흐르게 되는 현상이다. 물론 회로가 성립하려면 끝이 어떻게든 (-)극에 연결되어 있기 때문에 전류가 흐르며, 쇼트난 지점은 일반적인 도선 연결과 비슷하게 취급되어 전류가 있는대로 흐르기 때문에 부품이 탄다.

4 직류와 교류

직류의 경우 정말 정직하게 +극은 표시되어 있는 전압, -극은 0V이라서 계산하기 간단하지만 교류의 경우 주기적으로 지랄 발광변하기 때문에 대략적으로 산술평균/기하평균하여 평균 전압, 실효 전압을 구해 사용한다.

현재 대한민국에서 가정용 전기로 교류 220V를 사용한다. 주파수는 60Hz, 다시말해 1/60초 주기로 변한다. 일반적으로 콘센트 안쪽에 220V 60Hz라고 쓰여있기도 하다. 이렇게 110V를 220V으로 바꾸어서 사용하면 경제성이 향상되지만, 그만큼 감전시의 위험성도 올라간다.

이상하게도 220V를 사용하는 이유가 송전 시의 전력손실 때문이라고 아는 사람이 많다. 이는 조금만 생각해봐도 앞뒤가 안맞음을 알 수 있는데 상식적으로 생각해보자. 발전소에서 가정집까지 전기 보내는데 220V로 송전하나?[4] 당연히 주상 변압기 1차측까지, 즉 송전 효율에 전혀 도움이 되지 않는다. 배전 효율을 개선하기 위한 것이 맞다.[5]

실생활에서 교류를 사용하는 결정적인 이유 중 하나는 변압의 용이함과 경제성, 그리고 신뢰성 때문이다. 교류는 전압을 변경하려면 변압기 하나면 해결되지만, 직류는 전력 소자가 발전하기 전까지는 전압의 변경이 매우 힘들었고[6] 지금도 대용량으로 큰 폭의 승압 및 강압을 교류만큼 경제적으로, 신뢰성 있게 하기 어렵다. [7]
  1. ↑ 양전하는 즉 정공을 말하는 것으로 전자가 이동하며 남는 자리를 말한다. 이는 전류의 방향과 같다.
  2. ↑ 두산백과 참조
  3. ↑ 전기 기기를 땅에 연결하여 전기를 흘려보내는 장치.
  4. ↑ 용도에 따라 다르지만, 국내에서 사용되는 최대 송전 전압은 765kV (765,000V) 이다. 이정도면 대충 가까이 가기만 해도 끔살이다!
  5. ↑ 22900V를 강압할때도 변압비가 줄어들면 주상변압기의 효율과 경제성이 개선된다. 또한 가정에서 사용시 전류가 작아져 전압 강하도 작아지므로 전기 품질도 개선되고 전선 굵기도 줄어 자재가 절약되는데다 배선도 수월해지는 등, 생각보다 220V를 사용시에 볼 수 있는 이득이 많다.
  6. ↑ 사실 현재도 DC를 있는 그대로 변압하기는 무척 어렵다. 전력 소자가 발전하여 DC 전원을 변압할 수 있게 된 이유는 DC를 AC로 바꾸기가 수월해졌기 때문이다. 그래서 현재로써는 전력 소자를 이용해 어떤식으로든 DC를 AC로 바꿔서 변압 후 다시 DC로 변환한다.
  7. ↑ 당연히 DC나 AC나 송전 손실을 줄이기 위해 초고압 송전을 하므로 수용가 근처에선 다시 전압을 낮추어야 하는데 전국의 수용가들에게 이를 공급하기 위해 어마어마한 숫자의 변압 시설이 필요하므로 경제성과 신뢰성이 매우 중요하다. 그러나 이런 부분이 AC가 DC보다 수월하기 때문에 AC가 쓰이는 것이다.