전기가 없는 암흑시대, 우크라이나
오늘 우리는 전기와 뗄레야 뗄 수 없는 사회에 살고 있다. 만일 전기가 광범위한 지역에서 일주일 또는 한 달 동안 끊긴다면, 단순히 불이 꺼지는 문제가 아니라 물·통신·교통·식량·의료·금융이 차례로 마비되는 복합 재난이 발생한다.
우선 물 문제가 발생한다. 수돗물은 단순히 물을 자연스럽게 흘려보내는 것이 아니라, 취수장과 정수장, 가압펌프, 배수지, 하수처리시설을 통해 공급되는데 모두 전기의 도움을 받는다.
아파트는 특히 고층으로 물을 올리는 펌프가 필요하므로 전기가 없다면 고층까지 물읖 올릴 수가 없다. 그러므로 고층에 사는 사람이 저층보다 빨리 급수에 영향을 받을 수 있으며 화장실 사용과 하수 처리도 어려워져 감염병 위험이 커진다. 조선시대로 다시 돌아가는 것이다.
현재 전쟁중인 우크라이나나 이란을 보면 전기가 충분히 공급되지 않아 암흑세계에 살고 있다. 조명, 엘리베이터, 가정용 전자제품, 신호등, 지하철 등이 멈추고 냉장고와 냉동고도 작동하지 않는다.
3일만 끊어져도 냉장·냉동식품이 빠르게 상하고, 상점의 재고 보충과 전자결제가 어려워진다. 수도 공급과 하수 처리도 지역별로 불안정해진다. 연료, 식수, 의약품, 현금, 식량 부족이 본격화되고 병원과 치안·소방·통신의 기능이 크게 약화될 수 있다.
팔레스틴 가자지구
전기가 1개월 끊어지면 현대적인 공급망과 도시 기능이 사실상 장기간 중단된다. 이처럼 식량·식수·위생·의료 문제와 사회적 불안이 심각해질 가능성이 크다.
가장 힘든 것은 병원이 할 일을 하지 못하는 것이다. 병원의 모든 기계는 전기와 연결되어 있다. 이처럼 전기가 작동하지 않으면 1주일만에 암흑천지가 되는 것이다.
이처럼 전기는 우리의 일상에서 뗄레야 뗄 수 없다. 전기가 들어오지 않으면 생지옥이 된다. 그렇다면 우리의 생활에 절대 유익한 전기는 언제부터 있었는가?
하늘의 전기, 번개
전기는 태초에 하나님이 천지를 창조할 때 부터 있었다. 태초부터 공기는 위로 올라갈수록 부피가 커지기(단열팽창) 때문에 온도가 하강, 구름(적란운)을 만들어낸다. 구름을 형성하는 작은 물방울과 얼음 알갱이들은 번개와 같은 전기를 생성하는 힘(전하)을 갖고 있다.
얼음 알갱이 중 작은 것은 ‘-’극, 큰 것은 ‘+’극을 띠는데 서로 끌어당기면서 충돌, 순간적인 방전현상이 일어난다. 방전(放電)은 한자로 놓을 방(放) 자와 번개 전(電) 자를 써서, '전기를 밖으로 내보내거나 흘려보낸다'는 의미이다.
방전(放電)은 충전된 배터리나 물체에 저장된 전기가 밖으로 흘러나오는 현상을 뜻한다. 물리학에서는 전기가 통하지 않던 공기 같은 물질이 강한 전기장을 만나 전류가 흐르게 되는 현상도 포함한다.
번개는 강력한 전하를 지닌 구름 덩어리가 다른 구름 덩어리와 만날 때에도 발생한다.
+ 전하(전기의 입자)와 - 전하가 구름속에서 만나 순간 방전하여 전기를 구름밖으로 흘려보내는 것이 번개이다.
이처럼 번개의 전제 조건은 구름이다. 구름이 없다면 번개는 없다. 번개는 곧 하늘의 전기이다.
번개의 전기량은 전압이 1∼10억V, 전류가 수만 A에 달할 것으로 추산된다. 이 때문에 번개가 한 번 칠 때 전기에너지는 100W 전구 10만개를 1시간 가량 켤 수 있는 양(1만㎾/h)을 발생시킨다. 영흥 화력발전소의 시간당 80만 kwh를 보낸다.
우리나라에서는 한강·낙동강·금강·영산강 유역 등이 대표적인 번개 발생지역이다. 기상청에 따르면 우리나라에는 매년 1300차례 이상의 벼락이 떨어진다.
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번개가 먼저 반짝인 후에 천둥이 치고 벼락이 온다. 번개가 치면 온도가 3만도 이상 올라간다. 이 열에너지가 주의 공기를 급격히 가열하다보니 천둥이 친다. 열에너지가 소리로 변한다.
번개의 속도는 빛의 속이이고, 천둥은 소리의 속도이다.
노아시대의 전기
이처럼 태초부터 전기가 있었다. 노아의 홍수때도 먼저 번개가 반짝거리고 이어 천둥이 오면서 대규모 물이 하늘에서 쏟아졌다.
땅의 전기
기독교의 전통을 물려받은 위대한 인간들은 하나님의 창조물인 전기를 땅에서 사용하는 방법울 선택했다. 태초의 전기를 땅에서 응용하여 사용하던 시가가 불과 400년에 불과하다. 그 이전까지는 어둠속에서 보내는 암흑의 시대였다.
조선시대나 60년대 초반만 해도 호롱불을 켜고 살았다.
일찌기 기독교가 발전한 서구의 사람들은 하나님의 전기를 인간의 전기로 만들고자 노력했다. 번개는 하늘의 전기였지만 사람들은 순간이 아니라 지속적으로 사용할 수 있는 땅의 전기가 필요했다. 사람들은 물을 갖고서 땅의 전기를 만들어 냈다. 하늘의 전기를 땅에 재현시킨 것이다.
땅의 전기도 물을 이용
하늘의 전기도 물방울이 충돌하면서 생겨나듯이 땅의 전기도 물을 이용하는 것이다.
하늘의 전기는 물의 입자의 충돌로서 생성되지만 땅의 전기는 물의 딸어지는 힘을 갖고서 전기를 생성하는 것이다. 그것이 수력발전이다. 수력발전은 위치에너지를 기계에너지로 바꾸는 것이다.
위치에너지를 기계에너지로
수력발전은 △늪 △하천 △호수 등의 물이 가진 위치에너지가 발전기 터빈의 운동에너지로 변환되고 이를 통해 발전기 내부에서 전기가 만들어지는 과정으로 진행된다.
먼저 높은 곳에 있던 물이 아래로 떨어지며 생긴 힘은 물이 가진 위치에너지를 기계에너지로 전환하는 장치인 수차를 작동시킨다. 이때 수차에 붙어있던 발전기도 함께 돌아가게 되며 전기가 생산되는 것이다.
우리가 알고 있는 수력발전소는 시간이 흐른 뒤인 1878년 프랑스에 처음으로 건설됐다. 한반도의 경우 1905년 평안북도 운산수력발전소가 최초다.
승압하는 변압기(전기 펌프)
위치에너지가 기계 에너지로 바뀌면 전기가 발생하는데 주파수가 있는 교류전류가 변압기를 통하여 새로운 유도전기를 만들어 내어 가정에 전달된다.
전압을 높여주어야 내가 사는 집까지 220v로 들어오는 것이다. 물을 멀리 보내기 위해서 물펌프를 사용하는 것과 같다. 전기를 멀리 보내기 위해서는 변압기가 있어야 한다.
약한 전류, 자장, 강한 전류
1차측 코일에 크기와 방향이 계속 변하는 교류 전류를 흘려주면 자장이 발생한다. 전류가 흐르면서 철심에 시간에 따라 변하는 자기장(자속)이 생긴다.
이 변화하는 자기장이 철심을 타고 2차측 코일에 전달되어 새로운 전기(유도기전력)를 만들어낸다. 1차측과 2차측의 코일 감은 횟수(권수비) 비율에 따라 전압이 높아지거나 낮아진다. 전류는 자기장을 만들고 자기장은 다시 전류를 만든다. 패러데이가 발견했다.
그러므로 전류가 우리 집에 오기까지 전류와 자기장이 연합해서 오는 것이다. 전류는 자기장을 만들고 자기장은 전류를 만들어 전기를 가정에서 이용할 수 있는 것이다. 하늘의 전기가 땅의 전기가 될 때까지 발전소가 필요한 것이다.
갈바니의 개구리 뒷다리
그렇다면 누가 하늘의 전기를 땅의 전기로 만드는데 공헌한 사람을 알아보자. 전기가 나오기 전에 갈바나는 전기실험을 하였다. 비록 실패의 실험이지만 전기의 과학화를 위하여 개구리 뒷다리 갖고 실험을 했다는 것 자체가 의미있다.
우리는 어려서 개구리 뒷다리만 먹었지 개구리 뒷다리를 통하여 전기에 대한 관심을 갖지 않았다.(계속)
