직류 교류는 전기의 기본 개념입니다. 실생활에서도 자주 들을 수 있습니다. 하지만 직류 교류를 직관적으로 이해하기는 어렵습니다. 오늘은 직류와 교류의 정의와 사용 목적, 직류 교류 차이에 대해서 쉽게 이야기 해 보도록 하겠습니다.
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Toggle개요 : 전기 에너지
직류 교류를 설명하기에 앞서, 전기 에너지에 대해 먼저 간략하게 설명하도록 하겠습니다. 전기 에너지란, 전자가 흐르면 만들어지는 에너지를 의미합니다.
도체 안의 전자는 평소에 움직이지 않고 가만히 있는데, 건전지를 연결하거나 자석을 도체 근처에 붙였다 뗐다 하는 등 전자를 움직이는 환경을 만들어주면 전자가 도체 안에서 이동을 하게 됩니다. 이것이 바로 전류입니다. 이 과정에서 전자가 움직이고, 도체를 통해 흘렀기 때문에 에너지가 발생합니다. 이 에너지가 전기 에너지고, 전기 에너지를 부하(전기를 사용하는 기계)가 받아서 맡은 바 일을 하게 되는 것입니다.
직류 (Direct Current)
직류는 한 방향으로 흐르는 전류입니다. 우리 주변에서는 건전지가 가장 흔한 직류 전기 공급원 입니다.
건전지를 사용하는 기기 중에서 TV 리모컨을 떠올려 봅시다. 리모컨에 건전지를 끼울 때, 건전지를 리모컨에 표시된 극성과 반대로 끼우면 동작하지 않습니다. 왜냐하면 건전지의 전류는 직류이므로 (+)단자에서 (-)단자 방향으로만 전류가 흐르기 때문입니다. * 건전지를 반대로 끼워보지 마세요. 리모컨이 고장 날 수도 있습니다.
직류는 전류의 세기가 일정합니다. 그렇기 때문에 전기 제품에 손상을 주지 않습니다. 하지만 직류는 전기를 만드는 게 어렵고 비용이 많이 듭니다. 직류 발전기의 구조가 복잡해서 그렇습니다. 또, 직류는 전압을 높이기가 어려워서 장거리 송전이 어렵다는 단점도 존재합니다.
교류 (Alternating Current)
전류가 흐르는 방향이 (+), 0, (-)와 같이 바뀌는 것을 교류라고 합니다.
우리 집에서 사용하는 전기 제품의 플러그를 볼까요. 일단 플러그에는 극성이 표시되어 있지 않고, 꽂는 방향과 관계 없이 전기 제품이 잘 동작합니다. 왜냐하면 가정에서 사용하는 전류는 교류라서 전류가 흐르는 방향이 계속 바뀌기 때문입니다. 1초 동안에 (+)와 (-)가 서로 교대하는 횟수를 주파수(Hz) 혹은 Cycle이라고 합니다.
사회가 기술적으로 점차 발전하면서 전기를 필요로 하는 곳이 많아졌고, 전기를 생산하는 사람들은 더 효율적으로 전기를 만들어서 사용처로 보내고 싶었습니다. 그래서 교류 전기가 만들어졌습니다. 교류 발전기는 직류 발전기에 비해 구조가 간단하고, 교류 전기를 쉽게 만들 수 있었습니다. 그리고 교류 전기는 직류와는 달리 변압기를 이용해 전압을 쉽게 높일 수 있어서 효율적으로 전기를 보낼 수 있게 되었습니다.
전류가 흐르는 방향은 왜 바뀔까요?
전기를 만들어내는 발전 원리와 관계가 있습니다. 여러 번 감긴 코일에 자석이 들어왔다 나왔다 왕복 운동을 하면서 전자기 유도 현상이 발생하고, 이 과정에서 전기가 발생합니다. 이 때, 자석이 들어갈 때 방향 (+ 방향), 나올 때 방향 (- 방향), 그리고 중간 지점에서는 전자기력이 상쇄되어 값이 0인 교류 전기가 발생하게 되는 것입니다.
변압기로 전압을 높이는 게 전기를 보내는 입장에서 왜 유리할까요?
전기를 보내는 과정에서 전압 강하가 많이 일어난다고 하더라도, 전기가 필요한 곳 바로 앞에 변압기를 설치해서 전압을 높여주면 부하에 필요한 만큼의 전압을 걸어줄 수 있습니다.
케이블 전압 강하로 인한 전력 손실에 대한 얘기를 조금 해 볼게요. 전선을 통해 전기를 보낼 때, 전선에 전류가 많이 흐를수록 손실이 커집니다. 왜냐하면 전선 그 자체가 가진 저항이 있기 때문입니다. 손실은 전선에 흐르는 전류의 제곱에 비례하게 됩니다. 그러므로 전선에 흐르는 전류의 양을 작게 해야 전력을 보낼 때 손실을 줄일 수 있습니다.
그렇다면 전선에 흐르는 전류는 어떻게 해야 작아질까요? 전력(W)은 단위 시간당 전기 에너지의 양이고, 전압과 전류의 곱으로 표현할 수 있습니다. 같은 전력을 보낼 때 전압을 높이면 전류를 작게 할 수 있고, 전압이 낮으면 전류가 더 흐르게 됩니다. 즉, 전력을 보낼 때 전압을 높이면 전선에 흐르는 전류를 작게 할 수 있습니다. 이렇게 하면 전선에서 발생하는 손실이 작아지므로 전력을 효율적으로 전송할 수 있는 것입니다.
직류도 전압을 높이면 전류가 작아지므로 전기를 큰 손실 없이 보낼 수 있습니다. 하지만 전기의 사용처가 급속도로 많아져서 발전소를 짓기 시작하던 1890년대에는 직류의 전압을 높이는 것이 기술적으로 어려웠고 비용도 많이 들었습니다. 변압기를 이용해서 쉽고 저렴하게 전압을 높일 수 있는 교류 전기가 지금까지 주류로 자리 잡은 이유기도 합니다.
직류 교류 차이점
직류는 교류보다 먼저 발견되었고, 또 사용되었습니다. 하지만 교류의 편리함과 효율성이 세상에 드러나면서 직류보다는 교류를 더 많이 사용하게 되었는데요. 그렇다고 직류가 교류보다 좋지 않다고 할 수는 없습니다. 직류, 교류만의 장점이 있기 때문입니다.
직류 교류 차이점을 아래와 같이 표로 정리 해 보았습니다.
| 직류 | 교류 |
| 주파수가 없다 저장이 가능하다 +, – 전극이 있다 전류의 방향이 일정하다 전압의 변경이 쉽지 않다 전동기의 속도 변경이 용이하다 많은 용량의 전기를 사용할 수 없다 | 주파수가 있다 저장이 안 된다 +, – 전극이 없다 전류의 방향이 없다 전압의 변경이 쉽다 전동기의 속도 변경이 어렵다 많은 용량의 전기를 사용할 수 있다 |
직류는 건전지와 같이 사용 시작부터 수명이 끝날 때까지 꾸준히 일정한 전기를 공급하는 것을 말합니다. 그렇기 때문에 직류 전원을 공급하는 건전지에 전구를 연결하면 일정한 전류를 공급하기 때문에 깜빡이는 현상이 없습니다. 그러므로 연속적인 전기의 공급이 필요한 곳에서는 직류를 사용합니다.
교류는 중간 지점인 0V 지점을 중심으로 +, – 방향으로 전기가 왕복 하면서 흐르게 됩니다. 따라서 전구를 교류 전원에 연결하면 깜빡입니다. 다만, 그 깜빡이는 속도가 빨라서 우리 눈이 감지하지 못하는 것입니다. 컴퓨터나 TV와 같이 켜졌다 꺼졌다를 반복하면 안 되는 전기 기기의 내부에는 교류를 직류로 변환하는 장치가 내장되어 있습니다.
전동기(모터)를 사용하는 기기는 대부분 교류 전원을 사용합니다. 직류 전동기가 세상에 없는 것은 아니지만 잘 사용하지 않습니다. 직류 전동기에는 브러시라고 하는 구성품이 들어가는데, 브러시는 전동기를 사용하면 조금씩 마모되기 때문에 정기적으로 교체나 수리를 해 주어야 한다는 단점이 있기 때문입니다.
결론
오늘은 직류 교류에 대해 알아 보았습니다. 알고 나면 크게 어렵지 않지만, 막상 설명하려면 쉽지 않은 개념입니다. 이 글이 여러분들이 직류 교류를 이해하는 데 도움이 되었길 바랍니다.
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