1. 전기를 얻는 방법 (전하, 발전기)

1. 전기를 얻는 방법 (전하, 발전기)

우리 주변에 존재하는 수많은 전기기구들(TV, 선풍기, 스마트폰 등)은 모두 전기의 힘에 의해 동작한다.
전기기구(전기부하)들은 전기의 힘(전력)을 소비하며 동작하게 된다.
전기부하를 동작시키기 위한 전기의 힘, 전기 에너지는 어떻게 얻을 수 있는지 알아보자.

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1. 전기를 얻는 방법 (1)전하
2. 전기를 얻는 방법 (2)발전기
3. 발전기의 종류(회전계자형, 회전전기자형)
4. 발전기에서 교류전원이 만들어지는 과정

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1. 전기를 얻는 방법 (1)전하

전기에너지를 얻는 첫 번째 방법은 '전하'를 얻으면 된다.
전기기구(전기부하)에 전하를 넣어주면 전기기구는 동작하게 된다.

'전하'를 얻는 방법은 배터리를 충전하면 된다.
배터리를 충전한다는 말은 배터리안에 전하를 충전한다는 말이다.

'충전된 배터리'를 전기기구(전기부하)에 연결하면 전기기구는 동작하게 된다.
즉 전하 자체가 전기에너지를 가지고 있다고 생각하면 된다.

*전하: 물체가 띠고 있는 정전기의 양으로 모든 전기현상의 근원이 되는 실체이다. 양전하와 음전하가 있고 전하가 이동하는 것이 '전류'이다. 전하의 단위는 C(쿨롱)으로 전기 도선에 1A(암페어)의 전류가 흐를 때 1초 동안 전선을 통과하는 전하량을 1C으로 정한다.

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2. 전기를 얻는 방법 (2)발전기

전기에너를 얻는 두 번째 방법은 '발전기'를 이용하면 된다.
가정에서 사용하는 대부분 전기가전제품은 집안에 있는 콘센트에 코드를 연결하여 사용한다.
그 콘센트의 선을 따라 수백Km 끝까지 따라가다보면 결국 만나게 되는게 '발전기'이다.

그러면 발전기는 어떻게 전기에너지를 만들까?
전하가 아닌 자기장을 이용해서, 자기장의 변화를 이용해서 전기에너지를 만든다.
이 원리는 '패러데이'가 발견했다.
패러데이법칙 : 자기장의 시간적 변화에 따라 전기에너지가 만들어진다.

패러데이 공식

식으로 써보면 위와 같다.
전기에너지(E)는 Φ(자기장)의 t(시간)적 변화에 따라 만들어 진다.

그러면 어떤 환경에서 자기장이 시간에 따라 변화해야 전기에너지가 만들어질까?
'폐회로' 환경에서 자기장이 시간에 따라 변화해야한다. 아래의 그림이 코일을 네모로 감아서 폐회로를 구성한 모습이다.

전기에너지 생성 원리

폐회로를 구성했기 때문에 코일을 감은 내부에는 면이 형성된다.
바로 이 면을 지나는 자기장의 크기가 시간에 따라 변하면 코일에 전기에너지(E)가 생성되는 것이다.

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3. 발전기의 종류(회전계자형, 회전전기자형)

발전기는 두가지 방식으로 전기를 만들 수 있다.
폐회로인 코일이 고정되어 있고 자석이 회전하며 자기장을 변화시키는 형태(회전계자형)
폐회로인 코일이 회전하고 자석이 고정되어 있는 형태(회전전기자형)

'회전전기자형'은 소형기 이외에는 적용하지 않는다.
'회전계자형'은 대부분의 큰 용량의 발전기에서 적용하고 있다.

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4. 발전기에서 교류전원이 만들어지는 과정

아래처럼 코일이 폐회로를 형성하고 있고 주변을 자석이 회전한다고 가정해보자.

코일 폐회로 주변을 자석이 돎

자석이 코일의 면과 수직하게 있을 때 자기장은 가장 강하고 (면을 수직으로 지나는 자기장이 많아짐)
회전시키면 수직인 성분이 점점 작아지다가 자석이 코일의 면과 수평을 이룰 때 자기장은 '0'이된다. (면은 수직으로 지나는 자기장이 없어짐)

자석이 코일과 수직일 때 자기장이 가장 강함

그러므로 코일 주변을 자석이 한바퀴 돈다고 생각해보면 코일에 생성되는 전기에너지는 다음과 같은 그래프로 나타낼 수 있다.

자석의 회전에 따라 코일에 생성되는 교류 전기에너지

이런 과정을 반복하면 우리가 알고 있는 정현파의 교류전원, 전기에너지가 생성된는 것이다.

코일에서 생성된 정현파 교류전원

여기서 생성된 전기에너지를 전기기구(전기부하)에 집어넣으면 전기기구가 동작하게 된다.