변압기의 구조와 원리 및 코일의 감은 수

변압기 (Transformer)

해외에서 구입한 전자 기기가 110V 전압을 사용한다고 하면 우리는 220V 전압을 사용하므로 220V를 110V로 바꾸어주어야 하고, 반대로 해외에 나가면 110V를 220V로 바꾸어주어야 하는 경우가 생기죠. 이럴 때 우리가 흔히 도란스라고 부르는 장치를 사용하는데요, 이것은 사실 변압기를 뜻하는 Transformer를 일본식 영어로 읽다 보니 생긴 말입니다. 변압기는 말 그대로 전압을 변경해 주는 기기를 뜻하는데요, 송전 과정에서 전압을 변화시키는 장치로 기본적인 원리는 전자기 유도 현상을 이용한 것입니다. 일전에 아래의 손실 전력을 줄이는 방법에 대한 글에서 송전 전압을 높이는 것이 필요하다는 내용이 있었는데요, 따라서 이런 이유로 변압기를 사용하게 됩니다.

2023.11.28 - [과학] - 손실전력 계산 방법 및 손실전력을 줄이는 방법

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변압기의 구조와 원리

변압기의 구조는 기본적으로 철심과 교류 전원이 연결된 1차 코일, 전류가 출력되는 2차 코일로 구성되어 아래 이미지와 같은 형태를 띠게 됩니다.

 

변압기의 구조와 원리, 이미지 출처: geeksforgeeks.org

 

위의 변압기의 구조를 나타낸 이미지를 보면 철심에 양쪽으로 코일이 감겨 있고 코일의 감은 수가 다른 것을 볼 수가 있습니다. 좌측 1차 코일(Primary coil)의 자기장 변화가 2차 코일(Secondary coil)로 전달이 되는 원리인 것을 알 수가 있는데요, 1차 코일에 세기와 방향이 변하는 전류인 교류(AC, Alternating current)가 흐르면 1차 코일에 흐르는 전류에 의해 코일 주위의 자기장이 변화합니다. 위의 이미지에 보면 전압이 파형을 그리는 것이 보이죠. 여기서 변압기에 직류(DC, Direct current)가 아닌 교류를 사용하는 이유는 직류가 걸리면 자속의 변화가 없기 때문에 전자기 유도 현상이 발생하지 않게 됩니다. 교류는 시간에 따라 주파수를 가지고 주기적으로 크기와 방향이 변하는 전류인 반면에 직류는 연속적으로 같은 방향으로 흐르는 전류이기 때문입니다. 철심을 통해 2차 코일에 자기장의 변화가 전달이 되고 전자기 유도에 의해 2차 코일에 교류가 유도가 됩니다. 따라서, 변압기의 원리를 간략하게 정리하면 아래와 같이 됩니다.

 

1차 코일에 교류 → 1차 코일에서 세기와 방향이 변하는 자기장이 발생 → 철심을 통해 2차 코일에 자기장의 변화 전달 → 전자기 유도에 의해 2차 코일에 교류 유도

 

여기서 변압기에서 에너지 손실이 없다는 가정 하에 에너지 보존 법칙에 따라서 1차 코일과 2차 코일에 공급되는 전력은 같죠. 전력이라는 것은 단위 시간 동안의 전기 에너지이니까요. 따라서 아래와 같은 관계가 성립이 됩니다.

 

P1 = P2

V1 x I1 = V2 x I2

V1 / V2 = I2 / I1

 

그리고 전자기 유도에 의해 1차 코일과 2차 코일에 걸리는 전압은 코일의 감은 수에 비례하게 되므로 아래와 같은 관계가 역시 성립합니다.

 

V1 : V2 = N1 : N2

V1 / V2 = N1 / N2

 

따라서 최종적으로 아래의 관계가 성립하는 것을 알 수 있습니다.

 

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

 

변압기를 이용하여 전압을 높이려면 1차 코일보다 2차 코일을 더 많이 감아야 하고, 전압을 낮추려면 1차 코일보다 2차 코일을 더 적게 감아야 하겠죠. 전자기 유도에 관련한 내용은 아래 링크를 참조하시면 됩니다.

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전자기 유도 현상에 대한 이해