스마트폰·자동차·전등 — 우리가 쓰는 모든 것은 에너지를 다른 형태로 바꾸는 기계다. 그런데 아무리 바꿔도 에너지의 총량은 절대 변하지 않는다(에너지 보존). 사라진 것처럼 보이는 에너지는 대부분 열로 흩어졌을 뿐이다.
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패러데이 (Faraday, 1831) — 전자기 유도
그는 자석을 코일 근처에서 움직이면 전류가 흐른다는 것을 발견했다(전자기 유도). 이 단순한 원리가 오늘날 세계 전기의 대부분을 만드는 발전기의 심장이 되었다.
🔄 에너지의 형태와 전환
에너지는 여러 형태로 존재하고, 서로 전환된다. 카드를 눌러 각 장치가 어떤 에너지를 무엇으로 바꾸는지 보자.
에너지의 형태
역학적(운동+위치) · 열 · 전기 · 화학 · 빛 · 소리 · 핵 에너지
장치별 에너지 전환 (눌러 보기)
🔑 핵심 — 대부분은 여러 단계를 거친다
예를 들어 화력 발전은 화학(연료) → 열 → 운동(터빈) → 전기로 여러 번 전환된다. 전환할 때마다 일부는 열로 빠져나간다(다음 탭: 효율).
♻️ 에너지 보존과 효율
✅ 에너지 보존 법칙
에너지는 새로 생기거나 없어지지 않고, 형태만 바뀌며 총량은 항상 일정하다. 롤러코스터에서 높이(위치E)가 줄면 그만큼 속도(운동E)가 늘어 합은 그대로다(마찰 손실 제외).
열효율 — 얼마나 쓸모 있게 바꿨나
공급한 에너지 중 실제로 유용하게 쓰인 비율을 열효율이라 한다.
📐 효율 계산하는 법
효율(%) = 유용한 에너지 ÷ 공급한 에너지 × 100
예: 백열전구에 전기 에너지 200J을 넣었더니 빛으로 10J이 나왔다면, 효율 = 10 ÷ 200 × 100 = 5%.
거꾸로 공급한 에너지 = 유용한 에너지 ÷ 효율(%를 100으로 나눈 소수로)로도 구할 수 있다. 예: 효율 25%(=0.25)인 전동기가 유용한 에너지 50J을 냈다면, 공급한 에너지 = 50 ÷ 0.25 = 200J.
🌡️ 왜 100%가 안 될까
전환 과정에서 마찰·저항 등으로 일부가 항상 열로 흩어진다. 그래서 (열을 목적으로 하지 않는) 기계는 효율 100%가 불가능. 예: 백열전구는 전기의 약 5%만 빛, 나머지는 열. (그래서 LED로 바뀌었다.) 단, 전기난로처럼 열 자체가 목적인 기기는 예외적으로 효율이 100%에 가깝다.
장치
주 출력
손실(주로 열)
백열전구
빛(적음)
많음
LED
빛(많음)
적음
자동차 엔진
운동
많음(열·배기)
🔌 발전과 전자기 유도
전자기 유도: 코일 근처에서 자석을 움직이면(자기장이 변하면) 코일에 전류가 유도된다. 이것이 발전기의 원리다. 버튼으로 자석을 움직여 보자.
🔑 발전 = 역학적 에너지 → 전기 에너지
발전소는 무언가로 터빈(자석)을 돌려 코일에 전기를 유도한다. 무엇으로 돌리느냐가 발전 종류를 결정. 자석을 빠르게 돌릴수록, 코일을 많이 감을수록 유도되는 전류가 세진다.
발전
에너지 전환
화력
화학(연료)→열→운동→전기
수력
위치(물)→운동→전기
원자력
핵→열→운동→전기
풍력
운동(바람)→전기
태양광
빛→전기 (유도 아닌 태양전지)
⚡ 전력 수송
발전소에서 만든 전기는 변압기로 전압을 높여 송전한다. 전압이 높으면 전류가 작아 손실(열)이 줄기 때문. 가정 근처에서 다시 전압을 낮춘다.