대호평에 5쇄를 돌파한 『다시 배우는 고교 물리』에서는, 고교 물리 교과서에 등장하는 친숙한 주제를 소재로, 물리 법칙이 도출된 "이유"를 생각해봅니다.
본 기사에서는 전자기학 편에서, 직류와 교류에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
※본 기사는 타구치 요시히로의 『다시 배우는 고교 물리 좌절자를 위한 초입문』에서 발췌·편집한 것입니다.
테슬라 하면 이제는 일론 머스크가 이끄는 세계 최대급 전기자동차 제조사로 유명하지만, 그 사명은 니콜라 테슬라(1856~1943년)라는 발명가의 이름에서 유래합니다.
이 테슬라라는 인물은 지명도는 에디슨에 크게 뒤지지만, 발전기 규격을 둘러싸고 "전류 전쟁"이라고 불리는 "사투"를 벌였고, 최종적으로 승리한 전설의 발명가입니다. (물론 "사투"라 해도 어디까지나 기술적인 면에서의 싸움이지만...)
백열전구를 발명한 에디슨이 추진한 것이 "직류 발전기"인 반면, 테슬라가 추진한 것은 "교류 발전기"였습니다.
알다시피 "직류"는 흐르는 방향이 일정한 전류이며, "교류"는 흐르는 방향이 주기적으로 반전되는 전류를 말합니다.
사실 테슬라는 에디슨이 경영하는 전등 회사에 기술자로 입사했으나, 직류 발전기를 추진하는 에디슨에 맞서 교류 발전기의 우위성을 주장하며 정면으로 대립했고, 몇 달 만에 실직하는 아픔을 겪습니다.
실의에 빠진 테슬라를 구한 것은 에디슨과 대립 관계에 있던 전력 회사 웨스팅하우스였습니다. 이 회사는 테슬라의 교류 발전기 특허를 사용하여 전력 사업을 전개하였고, 이로 인해 에디슨은 격노하여 "전류 전쟁"이라고 불리는 "사투"가 벌어지게 됩니다.
에디슨은 직류 전류의 우위성을 알리기 위해 교류 전류는 위험하다는 네거티브 캠페인을 벌였습니다. 그것은 교류 발전기를 사용한 사형용 전기 의자를 도입하도록 압력을 가하는 등, 비상식적인 것이었습니다.
이에 대해 테슬라도 100만 볼트의 교류를 자신의 몸에 통과시키는 과격한 퍼포먼스로 대응했습니다. 양측의 싸움은 오랫동안 이어졌지만, 최종적으로 테슬라의 교류 발전기가 자리 잡으면서 에디슨은 완패하게 됩니다.
왜 "전류 전쟁"에서 직류 진영이 교류 진영에게 패배하게 되었을까요? 물리적인 관점에서 이 문제를 생각해봅시다.
먼저 발전기의 원리를 설명하겠습니다. 발전기에서는 전자기 유도라는 물리 현상을 이용하여 전기를 만듭니다. 전자기 유도란 금속 근처에서 자석을 움직이면 전류가 흐르고, 자석의 움직임을 상쇄하려는 힘이 작용하는 현상을 말합니다.
예를 들어, 다음 그림과 같이 자석을 코일에 가까이 하면 그것에 반발하는 코일의 자기장이 발생하여 유도 전류가 흐릅니다. 한편, 자석을 멀리하면 자석을 끌어당기는 코일의 자기장이 발생하여 앞서와는 반대 방향의 유도 전류가 흐릅니다. (단, "자석의 자기장 방향" 자체는 멀리할 때도 가까이 할 때도 동일하므로 주의하시기 바랍니다.)
원형(링)으로 유도 전류가 흐르면 다음 그림과 같은 방향으로 전류를 둘러싸는 자기장이 발생합니다. 원형의 중심부에서는 그것들이 동일한 방향이 되므로, 강화되어 큰 위쪽 방향의 자기장이 발생합니다.
의외로 생각될 수도 있지만, 모터와 발전기의 구조상 큰 차이는 없습니다. 자기장 속에서 전류를 흘려 코일을 회전시키는 것이 모터라면, 코일 쪽은 움직이지 않고 자기장을 회전시켜 전류를 발생시키는 것이 발전기일 뿐입니다.
발전기에서는 유도 전류를 지속적으로 흐르게 하기 위해 자석과 코일의 거리가 끊임없이 변해야 합니다. 아래 그림에서 보듯 자석을 가까이하거나 멀리할 필요가 있습니다. 자석의 움직임을 멈추면 유도 전류의 흐름이 멈춰 발전기의 역할을 하지 않게 됩니다.
이 그림에서는 코일을 고정하고 자석을 움직여 유도 전류를 만들고 있지만, 이와 반대 방법도 가능합니다. 자석을 고정하고 코일을 움직이는 방법입니다.
에디슨이 개발한 직류 발전기는 후자의 "자석을 고정하고 코일을 회전시키는" (다음 그림 왼쪽) 방식을 채택했습니다. 반면, 테슬라가 개발한 교류 발전기는 전자의 "코일을 고정하고 자석을 회전시키는" (다음 그림 오른쪽) 에디슨과는 반대의 접근 방식을 채택했습니다.
테슬라의 교류 발전기 원리를 간단히 설명하겠습니다. 코일(루프) 사이에서 자석을 회전시키면 루프를 관통하는 양(+) 자장이 증가하는 기간과 음(-) 자장이 증가하는 기간이 번갈아 나타납니다. 단, 이 경우 전류의 방향은 번갈아 반전되므로 직류가 아니라 교류가 흐르게 됩니다.
에디슨의 직류 발전기에서는 전류의 방향이 변하지 않지만, 루프와 모터를 연결하는 회로 사이에 접촉점을 만들어야 하며, 이곳에서 불꽃이 튀거나 전력이 소실되는 등 공학적으로 불안정한 결점이 있었습니다.
반면, 테슬라의 교류 발전기에도 극복해야 할 과제가 있었습니다. 교류는 전류·전압이 주기적으로 변하기 때문에 다루기 어렵고, 장치의 소형화도 어려웠습니다. 따라서 초기의 발전기는 모두 "직류"였습니다. 그러나 테슬라는 교류 회로를 2개 이상 조합하여 부드럽게 회전하는 "유도 전동기의 원리(회전 자장)"를 고안하였고, 이에 기반한 2상 교류 모터를 설계했습니다.
앞서 말한 것처럼 에디슨이 개발한 직류 발전기는 구조상의 문제로 송전 손실이 컸습니다. 반복해서 설명하듯이, 직류 전류를 얻기 위해서는 루프와 회로를 연결하는 접촉점을 만들어야 합니다. 그러나 이 접촉점에서 모터의 회전이 빨라져 불꽃이 튀고, 어렵게 만든 전기가 소실됩니다.
또한, 에디슨이 고안한 직류 방식의 송전 시스템은 송전 손실 때문에 짧은 거리에서만 송전이 가능하고, 많은 발전 시설이 필요하다는 중대한 결점이 있었습니다. 아무리 발전기가 고성능이라도 발전소에서 멀리 떨어진 지점까지 전기를 보낼 수 없다면 사업으로 성립되지 않습니다.
광대한 미국 대륙에 전기를 보내는 데 있어서, 이는 치명적인 결함이었습니다. 직류 방식의 송전 시스템이 송전 효율이 뛰어난 교류 방식으로 다음과 같이 도미노처럼 전환되는 것은 과학 기술적으로 필연적인 움직임이었다고 할 수 있습니다.
하지만 "과학자<기술자<사업가"인 에디슨은 그 흐름을 읽지 못했습니다. 그 정도의 발명가라면 직류 방식의 한계에 생각이 미치지 못했을 리 없지만, 일단 도입한 직류 방식에서 교류 방식으로 전환하는 것은 사업가로서도, 발명가로서의 자존심으로도 용납할 수 없었을 것입니다.
앞서 말했듯이, 테슬라는 에디슨이 경영하는 전등 회사에 기술자로 채용되어 교류 방식의 도입을 에디슨에게 강하게 요구했습니다. 결과론이지만, 에디슨이 젊은 천재 테슬라의 의견을 수용했다면, 초기 단계에 있던 발전 사업을 독점할 수 있었을 가능성이 있었습니다.
하지만 에디슨은 교류 방식의 사형용 전기 의자를 개발하는 등의 진흙탕 "전류 전쟁"을 벌였고, 결국 패배하게 됩니다. 결국 이 실패가 화근이 되어 에디슨은 자신이 창업한 에디슨 제너럴 일렉트릭 컴퍼니의 대주주들에게 사랑을 잃고, 사장직에서 물러나며 회사 이름에서 "에디슨"의 이름이 삭제되는 굴욕을 맛보게 됩니다.
그 후 제너럴 일렉트릭(GE사)이 전기, 항공기 엔진, 의료 기기, 철도, 금융 등 다양한 사업을 영위하는 세계 유수의 복합 기업으로 성장한 것은 잘 알려진 사실입니다. 에디슨이 놓친 물고기는 매우 컸습니다.