보이지 않는 전기를 눈으로 보다! 코일이 만드는 신비한 위상차 이야기
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험입니다.
전류와 전압, 사실은 ‘타이밍의 차이’가 있다는 사실 알고 있었나요?
콘센트에서 흘러나오는 전기, 사실 눈에 보이지 않는 곳에서 전압과 전류가 서로 ‘엇갈리며’ 움직이는 경우가 있다는 것을 생각해 본 적 있나요? 평소 아무렇지 않게 사용하는 전기지만, 그 정체는 항상 파도처럼 위아래로 변하면서 흐르는 ‘교류’입니다. 그리고 이 파동의 타이밍은 부품에 따라 미묘하게 어긋나기도 하고, 정확하게 맞아떨어지기도 합니다. 이번에는 그런 전기의 ‘숨겨진 움직임’을 센서(이지센스)를 이용해 실제 눈으로 확인해 보았습니다.
이번 실험에서는 코일에 교류 전압을 걸었을 때 전압과 전류 사이에 생기는 위상차를 측정했습니다. 측정 시간은 500ms, 샘플링 레이트는 1000이라는 꽤 세밀한 설정입니다(지금 생각해 보면 100ms 정도로 설정했으면 파동의 모습이 더 잘 보였을지도 모르겠습니다). 먼저 아래 영상을 확인해 보세요.
그래프에서 빨간색은 전압, 파란색은 전류를 나타냅니다.
기본부터 시작! 저항에서는 전압과 전류의 타이밍이 완전히 일치
먼저 저항(레지스터)에 교류 전류를 흘렸을 때의 모습을 살펴보겠습니다.
이 그래프를 보면 빨간색 전압 파동과 파란색 전류 파동이 마치 쌍둥이처럼 완벽하게 겹쳐 움직이는 것을 알 수 있습니다. 파동의 꼭대기와 골짜기가 나타나는 타이밍도 완전히 같죠. 이것은 저항이라는 부품이 전기의 흐름을 단순히 ‘방해’하는 역할만 하는, 매우 기본적인 성질을 가지고 있기 때문입니다. 전압이 올라가면 그 순간 전류도 바로 증가합니다. 아주 단순하고 직관적인 관계라고 할 수 있습니다.
코일에서는 완전히 달라진다! 전압이 먼저, 전류가 뒤따라온다
하지만 같은 교류 전압을 코일에 걸어 보면 전혀 다른 모습을 보여줍니다.
이 그래프를 자세히 보면 전압의 최고점이 먼저 나타나고, 그 뒤를 따라 전류의 최고점이 나타나는 것을 알 수 있습니다. 마치 술래잡기에서 전압이 먼저 달려 나가고 전류가 조금 늦게 따라가는 모습과 비슷합니다. 이 ‘늦어지는 정도’는 정확히 90도입니다. 전압이 최대가 되는 순간부터 파동의 4분의 1주기만큼 늦게 전류가 최대가 되는 것입니다.
왜 코일에서는 전류가 늦어질까요?
이 신기한 현상의 배경에는 코일만이 가진 특별한 성질이 있습니다. 코일에 전류가 흐르면 주변에 자기장이 만들어집니다. 그런데 교류 전류처럼 전류가 계속 변하면 자기장 역시 계속 변하게 됩니다. 그러면 코일 스스로 ‘전류의 변화를 방해하려는’ 성질, 즉 자기 유도라는 현상이 나타납니다.
쉽게 말하면 전류에게 작용하는 브레이크와 같은 역할입니다. 전압이 “자, 전류야 올라가자!”라고 밀어주어도 코일이 만들어 내는 반대 방향의 기전력(역기전력)이 변화에 제동을 걸기 때문에 전류는 바로 반응하지 못하고 조금 늦게 따라오게 됩니다. 이 ‘조금 늦는’ 성질이 실제로는 눈에 보이는 90도의 위상차로 나타나는 것입니다.
이 성질은 사실 우리 주변 곳곳에서 활용되고 있습니다
코일의 이러한 성질은 실험실 안에서만 존재하는 이야기가 아닙니다. 예를 들어 형광등의 안정기, 변압기, 모터, 스피커, 그리고 스마트폰의 무선 충전 등 코일을 사용하는 전기 제품은 매우 많습니다.
이러한 기기 안에서는 전압과 전류 사이의 타이밍 차이(위상차)를 효과적으로 활용하거나, 반대로 이 차이 때문에 발생하는 손실을 줄이는 방법을 사용하면서 우리의 생활을 편리하게 만들어 주고 있습니다.
평소에는 보이지 않는 전기의 세계이지만, 이렇게 센서를 이용해 그래프로 표현해 보면 전압과 전류라는 두 주인공이 마치 춤을 추듯 서로 타이밍을 맞추거나 어긋나면서 움직이고 있다는 것을 알 수 있습니다.
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