저항을 이용해 열과 빛을 내는 기구가 탄생했다. 연결방법에 따라 달라지는 저항과 열 또는 빛의 관계를 살펴보자.
구리선보다 저항이 큰 니크롬선에 전류를 통해주면 구리에서는 열이 나지 않지만 니크롬선에서는 열이 난다. 그러면 저항이 클수록 열이 많이 난다고 생각해도 좋은가? 그렇다면 부도체인 나무나 플라스틱은 저항이 대단히 크므로 니크롬선 대신에 나무나 플라스틱을 연결하면 열이 더욱 많이 나야 하는데 실제는 그렇지 않다.
60W 전구에 쓰인 필라멘트선이 30W 전구에 쓰인 필라멘트선보다 저항이 작다. 공장에서 전구를 만들 때 저항이 작은 저항선을 쓸수록 밝은 전등이 만들어진다. 집에서 쓰던 전구가 끊어져 못쓰게 되었을 때, 이를 흔들면 한쪽끝이 다른쪽 중간에 걸리는 수가 있는데 이 경우 저항이 전보다 줄어들게 되고 이를 다시 끼워보면 더 밝아진다는 것을 알 수 있다(그림1).
마찬가지로 5백W 풍로를 1천W로 만들려면 저항선을 빼서 반을 끊어내고 다시 그 자리에 이으면 된다.
그러면 구리선은 저항이 대단히 작은데 왜 거기에서는 열이 나지 않는 것인가? 구리선은 그 모든 이론에서 예외인가? 열과 빛은 니크롬선이나 필라멘트에서만 나는 것인가?
직렬과 병렬의 차이
그렇지 않다. 그것은 주위의 연결상태에 따라 달라진다. 즉 병렬연결에서는 저항이 작을수록 열이 많이 나고 직렬연결에서는 저항이 클수록 열이 많이 난다. 필라멘트에는 구리선을 통해 전력을 공급하므로 필라멘트와 구리선은 반드시 직렬연결을 해야 하고 구리선보다 저항이 큰 필라멘트에서 열이 발생하는 것이다.
저항의 직렬연결 : 모든 저항에 흐르는 전류는 같으나 전압은 저항이 큰 곳에 많이 걸리므로 소비전력(전압×전류)은 저항에 비례한다.
저항 : ${R}_{1}$>;${R}_{2}$>;${R}_{3}$≫r
전류 : ${I}_{1}$<;${I}_{2}$<;${I}_{3}$=i
전압 : ${v}_{1}$=${v}_{2}$=${v}_{3}$≫v
전력 : ${p}_{1}$<;${p}_{2}$<;${p}_{3}$≫p
구리선의 저항 r은 필라멘트와 직렬연결 상태이므로 필라멘트에서보다 열이 적게 난다.
저항의 병렬연결 : 모든 저항에 걸리는 전압은 같으나 전류가 저항이 작은 쪽으로 많이 흐르므로 소비전력은 저항에 반비례한다.
저항 : ${R}_{1}$>;${R}_{2}$>;${R}_{3}$≫r
전류 : ${I}_{1}$<;${I}_{2}$<;${I}_{3}$=i
전압 : ${v}_{1}$=${v}_{2}$=${v}_{3}$≫v
전력 : ${p}_{1}$<;${p}_{2}$<;${p}_{3}$≫p
저항과 저항사이는 병렬연결이므로 저항이 작은 곳의 저항에서 열이 많이 나지만 구리선은 저항과 직렬로 연결되어 있으므로 구리선에서는 열이 나지 않고 저항에서만 열이 난다.
60W 전구보다 30W 전구에 쓰인 저항선이 더 작은 이유는 우리 가정에서의 모든 배선이 병렬로 연결되기 때문이다. 그래야만 각 저항에 걸리는 전압이 일정하게 되고 그 전압에 맞게 가전제품을 설계할 수 있다. 또 어느 한 개의 스위치를 내려도 다른 것이 꺼지지 않는다. 가전제품을 많이 연결하면 할수록 합성저항은 작아지고 전류는 많이 흘러 전기세가 많이 나온다.
전압을 높이면 왜 전력손실이 줄어드는가?
1백10V용 가전제품을 2백20V에 연결하면 고무타는 냄새가 나며 망가지게 된다. 이사를 해서 가전제품을 처음 가동할 때 조심해야 할 사항이다. 1백10V용 전기제품을 2백20V에 쓰려면 변압기를 사용하여 전압을 낮춰야 한다.
그렇게 불편하고 경제적인 손실을 감수하면서까지 전압을 높여서 보내는 이유는 무엇인가?
그것은 전력을 보내는데 있어 송전선의 저항으로 인한 전력손실을 줄일 수 있기 때문이다. 전압을 2배로 높이면 음의 법칙에 의해 전류가 2배가 되고 소비전력은 전압×전류이므로 4배가 되어 기존의 가전품을 그대로 연결하면 고장이 난다. 따라서 전압을 높여도 전과 같은 전력을 내기 위해서는 가전품의 내부저항이 종전보다 4배정도 커야 전류가 1/2로 줄어 전력이 변함없게 되고 그것이 원래의 기능대로 작동할 수 있다.
그러므로 송전전압을 높이면 소비자가 가지고 있는 제품들을 모두 내부저항이 큰 것으로 대체해야 한다. 보통은 1백10V와 2백20V에 모두 사용할 수 있게 되어 있어 절환스위치만 적절히 돌려주면 되게 된다.
2백20V로 절환하면 내부저항이 4배가 커지기 때문에 1백10V 때보다 오히려 전류가 반으로 줄어들게 된다.
송전선과 가전품은 직렬연결상태에 있고 직렬연결에서는 소비전력은 저항에 비례하는데 승압을 하면 송전선의 저항은 그대로인데 가전품의 저항은 4배로 크게 해야 하므로 송전선에서 소비되는 전력은 전보다 4분의 1로 줄게 된다.
변압기란 코일에 흐르는 전류가 변하면 인접한 다른 코일에 기전력을 발생시킨다는 상호유도를 이용하여 전압을 변화시키는 장치다. 1차코일과 2차코일의 감은 수의 비대로 전압이 유도되며 전체 전력은 일정해야 하므로 전압이 높아지면 전류는 직아져야 한다.
그림과 같이 송전선의 저항을 r 소비자의 저항을 R이라 할 때 연결상태가 직렬이므로 소비전력은 저항에 비례한다.
전압(V) 2배-저항(R) 4배-전류(I) 0.5배-열손실 0.25배
감전은 왜 일어나나?
지하철을 타고가다 보면 "낚싯대는 가방에 넣어 가지고 다니고 알루미늄풍선은 가지고 다니지 맙시다"라는 방송이 나온다. 이것은 지하철역에 이리저리 설치되어 있는 전선에 낚싯대나 알루미늄 풍선이 닿아 감전될 것을 염려하는 방송이다.
감전이라는 것은 사람의 몸을 통해 전류가 흘러 충격을 주는 현상을 말하는데 심하면 죽을 수도 있는 위험한 것이다. 몸에 전류가 흐르기 위해서는 전류가 들어오는 곳과 나가는 곳이 있어야 한다. 지하철의 전선은 위에 하나가 있고 다른 하나는 땅에 있다. 땅에서 낚시대로 선로 위에 설치되어 있는 도선을 접촉하면 낚시대를 통해서 손으로, 손에서 발바닥을 타고 땅으로 전류가 흐르기 때문에 감전이 되는 것이다. 이 경우 절연이 잘된 양말이나 신을 신고 있으면 전류가 잘 흐를 수 없겠지만 물이 묻은 발이나 손은 저항이 작기 때문에 더 위험하다.
낚싯대도 대나무나 유리섬유로 만든 것은 저항이 거의 무한대에 가까우므로 전선에 닿아도 관계가 없지만 신소재인 탄소섬유로 만든 것은 저항이 작기 때문에 문제가 된다. 고무풍선은 괜찮지만 알루미늄풍선은 위험한 이유도 마찬가지다.
(그림 3)의 ㉮와 같이 피복이 없는 전선에 앉아 있는 참새는 안전하다. 왜냐하면 양쪽 발 사이에 새와 전선이 병렬로 연결된 상태인데 구리로 된 도선보다 새의 몸이 저항이 훨씬 크기 때문에 새 몸으로 전류가 흐르지 않는다.
그러나 ㉯와 같이 전구를 사이에 두고 양쪽 다리를 걸치고 앉으면 감전이 된다. 왜냐하면 전구에 저항이 있기 때문에 새의 몸이 갖는 물리적인 저항과 전구 속에 있는 필라멘트의 저항비가 어떠냐에 따라서 전류는 저항이 작은쪽으로 많이 가고 그 비율에 따라 전체 전류의 일부가 새의 몸으로 흐르기 때문이다.
필라멘트는 저항이 균일하기 때문에 필라멘트선 전체에서 열이 나지만 새의 저항은 접촉한 부분이 크고 몸통은 작아서 접촉하고 있는 양쪽 발바닥에 가장 많은 열이 난다. 그러므로 물리적인 상처는 대개 접촉부분에 생긴다.
다음은 지난해 과학동아에 난 기사의 일부이다.
"…60Hz의 교류가 흐를 때 약 1.1mA의 전류에 노출되면 짜릿함을 느끼게 된다. 이보다 더 높은 전류가 몸에 닿으면 근육수축이 일어나고 더 높아져 10-15mA에 이르면 전기가 흐르는 물체에서 자신의 손을 떼어놓지 못한다. 이 정도의 전류가 가슴을 통과하면 호흡근육이 경련을 일으켜 호흡곤란에 이르게 된다. 보통 9A 이상의 전류가 치명적인 결과를 초래한다고 알려져 왔다. 그러나 실제 감전사는 이보다 훨씬 낮은 전류에서도 일어난다. 왜냐하면 우리의 몸안에서 전기저항이 가장 작은 경로가 신경이기 때문이다. 따라서 감전은 신경에 엄청난 손상을 준다…"
