AC(교류)와 DC(직류)의 기본 개념으로 이해하는 전기

 

전기에는 AC(교류 · 交流 · Alternating Current)와 DC(직류 · 直流 · Direct Current) 두 가지 주요 유형이 있다.

 

흔히 국내 가정에서 사용하는 220V(전압 · 電壓 · Voltage)를 비롯해 주로 일본에서 사용되는 전기 단위인 110V, 공업, 산업용으로 이용되는 380V를 AC의 대표적인 전류 단위, 전기·전자 장비의 센서 및 측정기에서 주로 사용되는 24V, 12V, 5V 등을 DC의 대표적인 전류 단위로 구분한다.

 

AC는 전류가 주기적으로 방향을 바꾸며 왕복하는 전기적인 흐름을 나타낸다. AC는 주로 발전소에서 생산되며 전기 전송 및 공급 시스템에서 널리 사용된다.

 

DC는 전류가 항상 한 방향으로 일정하게 흐르는 전기적인 흐름을 나타낸다. 다시 말해, 전류의 방향이 시간이 지나도 변하지 않는다. 직류는 전자들이 일정한 방향으로 움직이는 것으로 생각할 수 있다.

 

각각의 특성과 용도를  자세히 살펴보자.

 

항상 한 방향으로 일정하게 흐르는 DC(왼쪽)와 주기적으로 흐름이 바뀌는 AC(오른쪽)의 전류 흐름

 

- 교류( AC · 交流 · Alternating Current)의 특징

발전소에서 생성되어 주택과 산업용 전력을 공급하는 교류 전기

 

① 흐름 방향 : 교류는 주기적으로 전류의 방향이 바뀌는 전류다. 교류의 전기 에너지는 일정한 주기로 전선을 따라 왕복하는 식으로 흐른다.

 

② 주기 : 교류의 주기적인 변화는 한 번의 왕복에 소요되는 시간으로 측정되며 헤르츠(Hertz · Hz) 단위로 표시된다. 현대 전기에서는 인버터(Inverter)를 사용해 전기의 속도 조절을 통해 각종 모터 및 장비의 운전 속도 제어에 이용되고 있다.

 

③ 발전과 전송 : 발전소에서 생산된 전기는 초기에 교류로 발전 생성되며, 고전압으로 변압기를 통해 전송된다. 이는 전기를 원격지까지 효과적으로 전달할 수 있도록 도와준다.

 

④ 전압 변화 : 시간에 따라 주기적으로 변하는 교류의 전압 특성에 의해 전력을 효과적으로 변환하고 전송시킬 수 있다.

 

교류는 주택이나 산업용 전력 공급, 전기기기 및 조명 등 다양한 응용 분야에서 사용된다. 교류는 전력 네트워크에서 효과적으로 에너지를 전달하는 데 있어서 매우 중요한 역할을 한다.

 

- 직류 (DC · 直流 · Direct Current)의 특징

각종 전자기기와 배터리, 태양 전지 등 소비자 전자제품에 사용되는 직류 전기

 

① 일정한 방향 : 직류는 항상 한 방향으로 전류가 흐른다. 전기 에너지는 일정한 방향으로 이동하며 전류의 방향이 시간이 지나도 변하지 않는다.

 

② 고정된 전압 : 직류의 전압은 일정하게 유지된다. 이는 일부 전자기기 및 시스템에서 필요한 특정 전압이나 전력(電力 · Electric Power)을 제공하는 데 유용하다.

 

③ 배터리 및 축전지(Storage Battery)에서 생성 : 일반적으로 배터리, 축전지 등에서 직류가 생성되며 이는 휴대전화, 휴대용 전자기기, 자동차 등 다양한 응용 분야에서 사용된다. AC 전원을 이용해 DC를 공급하는 파워 서플라이(Power Supply), 정류기(Rectifier), 컨버터(Converter) 등 교류를 직류로 변환하는 장치도 있다.

 

④ 전기 회로의 극성 : 직류 전기 회로에서는 전류의 극성이 일반적으로 플러스(+)와 마이너스(-)로 나누어지며, 이는 전류의 흐름 방향을 나타낸다.

 

직류는 전자기기, 배터리, 태양 전지 및 자동차 등의 소비자 전자제품에서 주로 사용된다.

 

요약하면 교류는 전기 에너지를 효과적으로 전송하는 데 사용되며, 직류는 전자기기 및 이동 수단과 같은 여러 응용 분야에서 사용된다.

 

- 직류의 아버지, 토마스 에디슨과 교류의 선구자, 니콜라 테슬라

교류의 선구자 니콜라 테슬라(왼쪽)과 직류의 아버지 토마스 에디슨(오른쪽)

 

‘커런트 워(Current War)’ 전류 전쟁이고 불리는 이 단어는 흔히 1880대 후반 미국에서 ‘토마스 에디슨(Thomas Edison)’과 ‘니콜라 테슬라(Nikola Tesla)’가 전기 산업 주도권을 두고 벌인 경쟁을 의미한다. 이 경쟁은 직류과 교류 중 어떤 것을 전기 시스템 표준으로 결정할 것인지에 관한 것이었다.

 

19세기의 발명가 중 한 명으로 꼽히는 토마스 에디슨이 직류를 선택한 이유는 시대적으로 다양한 기술적 이슈와 안정성 측면에서 기인했다.

 

① 19세기 말, 전기가 산업과 일상 생활에 처음 도입될 당시, 전기 기술은 아직 초기 단계에 있었다. 당시에는 교류 변환 및 전송 기술이 발달하지 않았기 때문에, 에디슨은 단순하고 신뢰성 있게 전력을 공급할 수 있는 직류를 선택함으로써 초기 전력 네트워크를 간소화하고 안정성을 높였다. 그러나 교류는 전송 거리가 짧은 상황에서도 상당한 에너지 손실을 일으키는 문제가 있었다.

 

② 에디슨은 교육적인 측면에서 직류를 선호했다. 당시 교육 체계에서는 직류가 간단하게 이해되고 가르치기 쉬운 형태였기에 학생들에게 전기의 기본 개념을 가르치기에 직류가 더 적합하다고 판단했다. 또한 직류 발전기는 단순하게 구성되어 있어 교육자들이 학생들에게 전기의 원리를 명확하게 전달할 수 있었고 전기 기술의 교육과 이해를 촉진하는 데 도움이 되었다.

 

③ 당시에는 교류 전력 변환과 전송 기술이 미비해 에디슨이 개발한 전구 등의 소비자 기기들이 직류를 사용하는게 예측 가능하고 안전한 전력을 제공할 수 있다고 판단했다. 이는 초기에는 직류의 우위를 확인시켰으나, 후에 니콜라 테슬라가 개발한 교류 시스템이 전력 손실을 감소시키는 면에서 우위를 차지하게 되었다.

 

또한, 비즈니스적인 측면으로 에디슨은 직류 발전 및 전송 시스템에 대한 특허를 보유하고 있었으며, 이 분야에서 경쟁 우위를 가졌다. 이 때문에 에디슨은 자신의 직류 시스템을 홍보하고 광고하면서 교류를 비판했다.

 

요약적으로, 에디슨이 직류를 선택한 이유는 초기 전력 기술의 한계, 안전성 강조, 그리고 교육적 편의성 등 당시 상황에 기인한 다양한 전문적인 측면에서의 고려가 반영된 결과였다.

 

개발자 니콜라 테슬라와 테슬라 코일

 

한편, 19세기 말부터 20세기 초에 걸쳐 세계를 놀라게 한 니콜라 테슬라는 교류 전원 시스템의 선구자로 꼽히며, 전기 과학과 공학 분야에서 혁신적인 업적을 기록했다.

 

특히 테슬라의 또 다른 혁신적인 발명인 테슬라 코일(Tesla Coil)은 고주파 전력을 생성하며 무선 전력 전송 실험에 사용되었고 테슬라가 선보인 기술은 오늘날의 전력 시스템 기초를 이루며, 무선 통신과 같은 분야에서도 테슬라의 아이디어는 계속해서 현대 기술을 이끌고 있다.

 

테슬라가 교류를 지지한 이유를 몇 가지 측면에서 설명할 수 있다.

 

① 교류는 전력을 효과적으로 변압하고 전송하는 데 우수하다. 테슬라는 교류가 전력 손실을 감소시키고, 변압기를 사용해 전압을 효과적으로 조절할 수 있다고 믿었다. 이는 에너지 손실을 최소화하고 거리가 먼 전력 생산지에서 소비지로 전송하는 데 중요한 요소다.

 

② 테슬라는 고전압으로 교류를 생성하고 이를 변압기를 통해 쉽게 변환할 수 있다는 개념을 도입했다. 교류는 변압기를 통해 전압을 변화시킬 수 있어 다양한 용도에 적용하기 용이했고 이는 산업 및 가정용 전기를 제공하는 데 유연성을 부여하며 여러 장치 및 기기에 적절한 전력을 제공할 수 있었다.

 

③ 테슬라는 교류를 사용하면 전류의 방향이 주기적으로 바뀌기 때문에 사람들에게 덜 위험하다고 믿었고 교류는 변압기를 사용해 전압을 조절할 수 있어 안전성이 높다고 생각했다.

 

또한, 교류는 전력을 생성하는 여러 방법에서 자연스럽게 발생하는 형태이기도 하다. 풍력 및 수력 발전 등에서 생성된 전력은 주로 교류 형태로 나타나기 때문에, 테슬라의 교류 시스템은 다양한 신재생 에너지 소스를 효과적으로 통합할 수 있었다.

 

최종적으로, 20세기 초에는 교류가 직류를 대체하는 데 성공했다. 특히, 교류가 장거리 전력 전송에 효과적이고 경제적이라는 사실이 인정되면서 교류 전원 시스템이 보다 널리 사용되었다.