Voltage Drop (전압 강하 효과)

에디슨의 패배에서의 전압 강하??

영화 커런트 워 (The Current War, 2017)에서 에디슨과 웨스팅하우스가 직류와 교류에 대해 논쟁을 펼칠때 직류는 먼 곳에 발전소를 설치하고 전력을 송전하지 못한다는 말이 나온다. 실제로 영화중에 에디슨은 직류로 충분한 전력을 공급하기 위해 도시의 설계도를 펼치고 원을 그리며 수십개의 발전소를 세울 계획을 세웠다.

 

https://edition.cnn.com/2019/10/21/entertainment/current-war-real-story-seo-scn/index.html

실제 우리는 직류로 먼 거리를 송전하는 것은 매우 비효율적인 방법이라는 것을 알고있다. 근데 과연 왜 직류는 거리에 따라 이렇게 큰 전력손실을 발생시키는 걸까?

 

이 이유는 전압 강하 효과 (Voltage Drop) 때문이다. 실제로 전선의 길이가 길어지면 길어질수록 처음 걸었던 전압보다 전압이 약해지고 이로 인해 더 작은 전류가 흐르며 운송 가능한 전력 (P=VI)는 기하급수적으로 감소한다. 

 

Voltage drop is defined as the amount of voltage loss that occurs through all or part of a circuit due to impedance. A common analogy used to explain voltage, current and voltage drop is a garden hose. Voltage is analogous to the water pressure supplied to the hose.
(https://c03.apogee.net/mvc/home/hes/land/el?spc=foe&id=4578&utilityname=wppi)

 

더 쉽게 이해하면 저항에 의한 에너지의 손실이라고 받아들일수 있으며, 반대로 저항을 전압을 강하시키는 요소로 이해해도 무방하다. 

 

전압강하(Voltage Drop)의 원리

 

 

실험적으로 위와 같은 회로가 있다고 생각하자 단순히 배터리에 저항 하나가 연결된 회로에서 우리는 옴의 법칙을 이용하여 회로에 흐르는 전류가 60mA가 될 것임을 쉽게 예상 가능하다.

 

 

이때 몇가지 포인트를 정해서 A, B, C ,D를 설정했는데 각 지점의 전압이 어떻게 될까? A는 전지의 + 이므로 3V가 될것이고 B는 전지의 -이므로 0V (GND)가 될 것이다. 그렇다면 C, D의 전압은 ??

 

A와 B포인트와 C, D포인트는 각각 저항이 0인 전선으로 연결되어 있으므로(가정) C와 D또한 3V, 0V가 될 것이다. 그 소리는 저항을 지나며 (C->D)를 지나며 3V였던 전압이 0이 되었다는 의미이다. 

 

 

더 자세히 살펴보면 C->D로 갈때의 전압강하는 총 -3V인데 이는 이 저항에 흐르는 전류와 저항의 값을 곱한 것, 즉 옴의 법칙을 거꾸로 적용한 것과 같은 결과가 나온다.

 

그래서 저항의 크기가 클수록, 흐르는 전류가 클수록 전압은 많이 감소한다. 

 

 

다음과 같이 저항이 두개이거나 더 복잡한 회로에서도 이는 똑같이 성립하는걸 확인할 수 있다. 직접 실험할 때는 다양한 저항의 형태를 놓고 모든 지점을 찍어보며 실제로 전압 강하가 발생하는지 확인해보길 권장한다. 

 

 

제대로 이해하는 에디슨의 패배

 

 

앞에서 말했던 에디슨의 직류송전의 경우에는 구리전선의 저항은 10^-8정도로 낮긴 하지만 길이가 길어질수록 저항은 늘어난다. 결국 길이가 길어질수록 전압 강하에 의해 도착했을때 손실되는 전압이 커질수밖에 없다. 그래서 직류 발전소는 미국 전역을 덮기에 부족했고 수십 KM 사이에 여러개의 발전소를 지어야만 했다. 결국 전압강하라는 현상이 장거리 전력수송에서의 에디슨의 패배를 만들었다고 해도 과언이 아니다. 

 

 

 

 

Reference

1. https://c03.apogee.net/mvc/home/hes/land/el?spc=foe&id=4578&utilityname=wppi 

2. https://edition.cnn.com/2019/10/21/entertainment/current-war-real-story-seo-scn/index.html