정밀기계과 출신이 말하는 생활 상식, 전기/전자

정밀기계과 출신이 말하는 생활 상식, 전기/전자
 
먼저, 전기와 전자의 차이는 강전, 약전으로 표현하는데요. 말뜻 그대로 강한 전압/전류는 전기, 약한 전압/전류는 전자로 보시면 됩니다. 주로 옥내/외 배선, 전력선, 동력선 이런 쪽이 전기과이고 전자제품, 통신 이런 쪽은 전자과라고 보시면 얼추 맞습니다.

우리가 사용하는 전기는 크게 교류와 직류로 나뉩니다. (반교류인 맥류도 있긴 합니다.)

교류 [alternatingcurrent / AC, 交流]
-. +/-가 주기적으로 변하는 전류, 예_가정용 220V, 60Hz (Hz: 1초에 정해진 파형이 반복되는 횟수, 60Hz -> 1초에 산(+)과 골(-)의 형태가 60회 반복)
-. 교류를 사용하는 이유는 전력선으로 전기를 공급할 때 손실이 적기 때문입니다.
-. 연식이 있으신 분들은 기억하시겠지만 우리나라도 예전에는 110V였는데 전압이 높으면 전송 시 전력 손실이 더 적다고 하여 승압을 했습니다. 감전 시 인체에는 당연히 110V 보다 위험합니다.
(P=IV, P=V^2/R  전압(V)이 높으면 동일 전선으로 더 많은 전력을 보낼 수 있습니다. 다르게 얘기할 수도 있는데, 동일한 전력을 110V 대비 더 멀리 보낼 수 있습니다. P는 전력, I는 전류, V는 전압, R은 저항입니다.)
-. 배터리 등으로 저장이 안 됩니다.
-. 라디오 전파(97.5 MHz)도 교류입니다만 주로 신호라고 합니다. 스피커에서 나오는 오디오 신호도 그렇고요.
-. 가정용의 경우 전력량계-> 누전차단기(아주 중요한 역할을 하는 부품으로 재활용 휴즈라고 보시면 됩니다. 빨간색 테스트 버튼 있음) -> 배선 차단기 (주요 배선별 3~5개 구비, 벽용, 전등용, 에어컨용 등등) -> 배선 -> 전기/전자 제품
-. 감전사는 주로 심장을 대전류가 직접 통과하게 되는 경우에 발생합니다. 혹시라도 시험용으로 전기선을 만지실 때는 손등(놀라도 전선을 움켜 잡지 않도록)으로 접촉 및 오른손을 사용하시는 게 낫다고 합니다.
(전류가 심장을 직접 통과하지 않도록), 전기의 흐름도가  왼손-> 심장 -> 발 은 치명적...
-. 교류는 두 선을 모두 차단해야 (배선차단기를 내림) 배선에 전기가 흐르지 않습니다. 즉, 교류라서 선 하나만 닿더라도 감전이 되니 주의하셔야 합니다. (추가: 안전을 위해서 이렇게 설명했습니다만 사실은 두 선 중 하나만 감전이 됩니다. hot line, 무심코 어느 라인은 안전하니 만져도 되세요라고 말씀드릴 수는 없어서...)
 
직류 [direct current/ DC, 直流]
-. +/-가 정해진 전류로 모든 배터리, DC 어뎁터를 통과한 전기를 말합니다.
-. 전동기, 전등 등 몇몇 제품을 제외한 거의 모든 전자제품에 사용됩니다. 보통 가정용 전압인 교류 220V에 전자 제품을 연결하여 사용하지만 전자 제품 안에서 즉시 직류로 변환됩니다.
-. 감전의 경우 전압보다는 전류가 위험하기 때문에 낮은 전압의 직류도 조심하셔야 합니다.

교류 -> 직류 : AC -> DC 컨버터, 흔히 DC 아답터라고 합니다. (예_AC 220V -> DC5V)
직류 -> 교류 : 인버터, 차량에서 코드 달린 일반 전자 제품을 사용하고 싶을 때 (예_차량용 인버터 DC 12V -> AC 220V)
교류 -> 교류 전압 변경: AC-AC 컨버터 (예_ 변압기라고 불리는 트랜스, 슬라이닥스 AC 220V -> AC 110V 또는 승압 AC 110V -> AC 220V)
직류 -> 직류 전압 변경: DC-DC 컨버터 (예_ DC 12V -> 9V,7V, 5V 등등..)

위의 예에서 변환 시 열로 소모되는 부분이 있어서 변환효율은 대략 80~95% 정도 된다고 보시면 됩니다.

소비 전력(전력량)
우리가 전기를 쓰면 다달이 전기 요금을 내게 되는데요.
그럼, 얼마만큼의 전기를 썼는지 알아야 요금 부과를 하겠지요? 그때의 기준이 전력량입니다. Wh (와트시, watt hour)가 단위이고 전기를 많이 쓰기 때문에 kWh (킬로와트시, 킬로는 x 1000입니다.) 단위를 주로 사용합니다.

눈치채셨겠지만 전력량은 전력 x사용 시간의 의미입니다. 예를 들면, 보통 에어컨의 소모전력이 대략 2kW 정도 되고 30일, 하루에 10시간 사용이라고 하면 한 달 동안 에어컨이 사용한 총전력량은 2k x 30 x 10= 600 kWh 가 됩니다. 개별 전자 제품의 소모전력은 제품에 표시가 되어 있으니 참고하시면 됩니다.

한전 홈페이지 가시면 전기 요금 자료가 있습니다.
https://online.kepco.co.kr/PRM004D00
 
그럼, 전력(W, watt)은 무엇이냐? 말 뜻은 전기의 힘 정도로 해석될 수 있습니다만 사전적 정의는 "단위시간 동안 전기장치에 공급되는 전기에너지, 또는 단위시간 동안 다른 형태의 에너지로 변환되는 전기에너지"를 말합니다.

이상하게 단위 시간이라는 전제가 붙지요? 전력은 물리량으로 따지면 일률에 해당됩니다. 일률은 단위시간 당 하는 일의 량을 뜻하며 동력으로도 불립니다. 단위는 W, HP(마력), J/sec, kcal/sec 등등입니다.

의미를 좀 풀어서 설명드리면, 1마력(HP, HorsePower)은 735W와 같고 "말 한 마리가 절벽에 밧줄로 매달린 75kg의 주인을 1초에 1m 끌어올릴 수 있는 전기에너지_이 경우 힘으로 변환됨, "라고 이해하시면 됩니다..

* 약간 전문적인 얘기인데요. W(와트)는 일률이라서 일(J_줄)/시간(s)이기 때문에 J/s, 일(J)은 다시 힘(N_뉴턴) x 이동거리(m_미터)이기 때문에 N.m/s, 그런데 N.m/s는 N x m/s와 같으므로 힘(N) x 속도(m/s)이 되며
결국 같은 단위가 됩니다. 위의 마력의 예에서 735W가 어떻게 75kg의 사람으로 치환되냐면, W = 힘 x 이동거리/s 공식에 따라서 체중은 중력의 작용에 따라서 아래로 떨어지려는 힘을 갖게 됩니다.
735/9.81=75 kgf(75kg 중, 9.81 은중력가속도) 이런 식으로 계산이 됩니다. 체중이 힘이 되는 것이지요.
각설하고, 1마력 또는 735W의 전력으로 할 수 있는 일이 이 정도 된다고 보시면 됩니다. 그리고 735Wh의 전력량은 75kg 체중의 사람을 1초당 1m 끌어올리는 일을 한 시간 동안 했을 때 소모된 전기에너지의 양이 되겠지요.

 사실 전력은 전기량의 단위이기도 하기 때문에 어떤 식으로든 전기량 단위의 조합이 되겠지요?
전력(P, 단위는 W)은 전압(V, 단위도 V) x 전류(I, 단위는 A)입니다. 진공청소기의 전력이 500W라고 하면 집에서는 220V를 사용하니 소모 전류량은 500/220= 2.3A 가 됩니다. 캠핑용이나 천문용 적도의 구동용으로 외장 배터리(파워뱅크) 많이 사용하실 텐데요. 12V, 40A 제품이라면 이 배터리가 가지고 있는 최대전력은 12x40=480W가 됩니다.
만약, 12V-1A를 소모하는 전자 제품 (12 x 1 = 12W)을 이 배터리에 물려서 사용한다면 40시간을 사용할 수 있게 되는 것이지요. 물론 실제로는 배터리의 유형 (납, 리튬이온, 리튬폴리머, 인산철...)에 따라서 효율이 다르며 변환 효율 및 온도 조건의 이유로 총전력에서 대략 80% 정도 사용하실 수 있다고 보시면 됩니다.

옴의 법칙 (전류=전압/저항)이나 키르히호프법칙도 있기는 한데요. 개별 전자부품 활용 하실 때에나 필요한 것이니 생략하겠습니다.