발전기의 원리 — 자석을 돌리면 왜 전기가 나올까

콘센트에 꽂는 전기는 대부분 발전소에서 옵니다. 화력이든 원자력이든 수력이든 풍력이든, 발전소 한가운데에는 거의 같은 기계가 돌고 있습니다. 발전기입니다. 하는 일은 뜻밖에 단순합니다. 자석과 코일을 서로 움직이게 하는 것. 그런데 전선에 전지를 연결한 것도 아닌데, 왜 자석을 움직이기만 하면 전류가 흐를까요.

자석이 움직일 때만 전류가 흐릅니다

코일 양 끝에 검류계를 잇고 막대자석을 넣었다 뺐다 해 보면 규칙이 바로 보입니다.

• 자석을 넣는 동안 바늘이 한쪽으로 움직입니다.
• 자석을 코일 안에 멈춰 두면 바늘은 0 으로 돌아갑니다. 자석이 아무리 세도 그렇습니다.
• 자석을 빼는 동안 바늘이 반대쪽으로 움직입니다.

1831년 패러데이가 처음 확인한 이 규칙에서 핵심은 멈춰 둘 때입니다. 전류를 만드는 것은 자석이 아니라 자기장의 변화입니다. 코일을 지나는 자기력선의 수가 늘거나 줄 때만 코일에 전류가 흐릅니다. 이 현상을 전자기 유도, 이때 흐르는 전류를 유도 전류라고 합니다.

세기와 방향은 무엇이 정할까

유도 전류는 코일을 지나는 자기장이 빨리 변할수록 셉니다. 그래서 세 가지를 키우면 전류가 커집니다.

• 자석을 빠르게 움직인다.
• 센 자석을 쓴다.
• 코일을 많이 감는다.

이것을 식으로 쓴 것이 패러데이 법칙입니다. $N$ 은 코일의 감은 수, $\Phi$ 는 코일을 지나는 자기 선속입니다.

앞의 음(−)의 부호가 방향을 말합니다. 유도 전류는 변화를 방해하는 쪽으로 흐릅니다. N극을 밀어 넣으면 코일의 그쪽 끝이 N극이 되어 자석을 밀어내고, 빼면 S극이 되어 붙잡습니다. 이것이 렌츠 법칙입니다. 그래서 자석을 넣을 때와 뺄 때 바늘이 반대로 움직입니다.

발전기 — 넣고 빼기를 쉬지 않고 되풀이합니다

자석을 손으로 넣었다 빼는 대신, 자석 사이에서 코일을 돌리면 같은 일이 끊임없이 일어납니다. 코일이 반 바퀴 돌 때마다 코일을 지나는 자기장이 늘었다 줄었다 하니, 전류의 방향도 반 바퀴마다 바뀝니다. 이렇게 방향이 주기적으로 바뀌는 전류가 교류이고, 우리 집 콘센트의 전기가 이것입니다.

발전소마다 다른 것은 무엇이 코일을 돌리느냐뿐입니다. 화력·원자력 발전소는 물을 끓인 수증기로, 수력 발전소는 떨어지는 물로, 풍력 발전소는 바람으로 터빈을 돌립니다. 바람개비 모양의 날개든 물레방아 같은 바퀴든, 모양은 달라도 결국 축을 돌려 발전기의 코일과 자석을 서로 움직이게 한다는 점은 같습니다. 어느 쪽이든 발전기는 터빈의 운동 에너지를 전기 에너지로 바꿉니다. 에너지를 새로 만드는 것이 아니라 바꾸는 것이고, 바꿀 때 일부는 열로 흩어집니다(에너지 전환과 효율).

전구를 켠 발전기는 돌리기가 더 힘듭니다. 전류가 흐르면 렌츠 법칙대로 코일이 회전을 방해하기 때문입니다. 전기를 많이 쓸수록 더 많은 일을 해 주어야 한다는 것, 에너지 보존이 손끝에서 느껴지는 자리입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 자석을 넣을 때·멈출 때·뺄 때 검류계 바늘의 방향. 넣을 때와 뺄 때는 반대, 멈추면 0.
• 유도 전류를 세게 하는 방법. 자석을 빠르게, 자석을 세게, 감은 수를 많이.
• 극을 바꿔 넣으면 바늘도 반대로. 극과 움직임의 방향을 둘 다 바꾸면 같은 방향.
• 발전기의 에너지 전환. 운동 에너지 → 전기 에너지. 전동기는 그 반대입니다.
• 전자기 유도를 쓰는 장치 고르기. 발전기, 교통카드, 무선 충전기, 전기 기타의 픽업.

자주 헷갈리는 것

• "센 자석을 코일 안에 넣어 두면 전류가 계속 흐른다" — 흐르지 않습니다. 유도 전류는 자기장이 변하는 동안에만 흐릅니다.
• "발전기는 전기 에너지를 만들어 낸다" — 다른 에너지를 전기 에너지로 바꿀 뿐입니다. 코일을 돌리는 데 든 일보다 더 많은 전기가 나오는 일은 없습니다.
• "코일을 움직이든 자석을 움직이든 결과가 다르다" — 같습니다. 둘 사이의 상대적인 움직임이 자기장의 변화를 만듭니다. 실제 큰 발전기는 코일을 세워 두고 자석 쪽을 돌리기도 합니다.

정리합니다. 코일을 지나는 자기장이 변할 때 코일에 전류가 흐르는 것이 전자기 유도이고, 변화가 빠를수록 전류가 셉니다. 유도 전류는 변화를 방해하는 방향으로 흐르며, 자석 사이에서 코일을 돌리면 방향이 번갈아 바뀌는 교류가 나옵니다. 발전소는 이 원리로 터빈의 운동 에너지를 전기 에너지로 바꿉니다.