5.1 개요
1831 년경 영국의 패러데이가 전자 유도 법칙을 발견하였습니다. 변압기는 이러한 전자 유도의 법칙을 원리로 동작합니다. 초기 미국의 전기 사업자들은 교류와 직류의 우월성을 가지고 논쟁을 벌였습니다. 앞서도 설명한 바와 같이 직류 전동기의 원리는 일찍 정착되어 직류를 사용하여 동력을 얻기는 쉬웠습니다. 직류의 신봉자들은 직류가 덜 위험하다고 선전하였습니다. 교류 회전자계 이론에 근거한 교류 전동기가 출현하고 교류가 직류에 비하여 생각한 것만큼 치명적으로 더 위험한 것 같지는 않다는 생각을 하게 되면서 교류의 약점은 하나씩 해결되어 갔습니다.
교류의 장점의 하나는 에너지 변환이 쉽다는 것입니다. 변압기를 이용하여 자유 자재로 전압을 올리고 내릴 수 있습니다. 전압을 올려 송전을 하면 전선에서 손실되는 전력의 동손을 줄일 수 있습니다. 전기 사업 초기에는 직류로 송전을 한 경우가 있었습니다. 동손을 줄이기 위해서 개인용 발전기를 뒷마당에 설치해야할 정도로 비경제적인 경우도 있었습니다.
우리의 생활 속에서는 여러 가지 종류의 발전기를 볼 수 있습니다. 대형의 변압기는 발전소나 변전소에서 교류 전압을 높이거나 낮추는데 사용되고, 중형은 큰 빌딩이나 공장에서 전기를 공급받기 위해 사용되며, 소형은 주로 가정에 전기를 공급하기 위해 사용됩니다. 전주 위에서 볼 수 있는 주상 변압기가 이 종류에 속합니다. 전자제품을 뜯어보면, 그 안에도 조그만 변압기들이 들어 있는 것을 볼 수 있습니다.
변압기 원리의 기본은 파라데이의 법칙과 렌쯔의 법칙으로 설명됩니다. 파라데이의 법칙은 권선에 흐르는 전류와 자속의 양의 관계를, 렌쯔의 법칙은 유기전압의 극성의 관계를 설명합니다.
공간상에 있는 코일에 교차하는 자속의 양이 변화하면, 그 변화율에 비례하는 전압이 권선에 유기 됩니다. 그림 5.1 은 렌쯔와 파라데이의 법칙을 설명하는 프로그램의 동작화면입니다. 화면상에서 자석을 마우스로 선택한 후, 위 아래로 움직이면 연결되어 있는 전압계에 전압이 유기 되는 것을 확인할 수 있습니다. 유기 되는 전압의 크기는 자석을 아랫방향으로 움직일 때와 윗 방향으로 움직일 때 유기 되는 전압의 극성이 바뀌는데 이는 렌쯔의 법칙에 의해서 결정됩니다.
렌쯔의 법칙은 유기 되는 기전력은 자속의 변화를 방해하는 자속을 발생하는 전류의 방향으로 기전력의 방향이 결정된다는 것입니다. 즉, 자석이 아래로 내려올 때는 자석이 내려오는 것을 방해하려는 방향의 자속을 발생하는 기전력이 유기 되고, 자석이 위로 올라갈 때는 자석이 올라가는 것을 방해하는 방향의 자속을 발생하는 기전력이 유기 된다는 것입니다.
그림 5.1 의 (a) 는 정지시의 유기전압이 0 인 것을 보여줍니다. 그림 (b) 는 자속을 아래쪽으로 움직이면 움직이는 속도에 비례하는 전압이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 코일 속에 자석이 있어도 움직이지 않으면 전압계에 유기되는 전압이 없음을 그림 (c)에서 알 수 있습니다. 그림 (d) 는 자석을 올리는 경우 역시 전압이 유기되는 것을 확인할 수 있는데 이때 유기 되는 전압의 값은 그림 (b)에서의 값과 반대 극성임을 확인할 수 있습니다.
