직류

3. 다양한 정의

'''직류'''라는 용어는 일반적으로 하나의 극성만을 사용하는 전력 시스템을 의미하며, 전압, 전류의 일정하고, 0 주파수이거나, 느리게 변하는 국소 평균값을 나타낸다.^[9] 예를 들어, 직류 전압원에 걸리는 전압은 직류 전류원을 통과하는 전류와 마찬가지로 일정하다. 전기 회로의 직류 해는 모든 전압과 전류가 일정한 해이다. 임의의 정상 전압 또는 전류 파형은 직류 성분과 0 평균 시변 성분의 합으로 분해될 수 있으며, 직류 성분은 기댓값 또는 모든 시간에 걸친 전압 또는 전류의 평균값으로 정의된다.

DC는 "직류"를 의미하지만, 때로는 "일정한 극성"을 의미하기도 한다. 이 정의에 따르면, 정류기의 원시 출력이나 전화선의 변동하는 음성 신호에서 볼 수 있듯이 직류 전압은 시간에 따라 변할 수 있다.

4. 성질

전지나 정전기에 의해 발생하는 전기는 직류이다. 직류 전류는 금속선과 같은 도체를 흐르지만, 반도체나 절연체도 일정 정도 흐른다. 또한 대기 중이나 진공 중에서도 음극선으로 흐른다.

직류 회로에서 전압 V(볼트), 전류 I(암페어)일 때, 전력 P(W)에 대해 다음 식이 성립한다.

:$P=I^2R$

위 식은 옴의 법칙에서 다음과 같이 변환될 수 있다.

:$P=VI=\backslash frac\{V^2\}\{R\}$

또한, 전력 P(W), 시간 t(s)일 때, 전력량 W(단위·Ws)에 대해 다음 식이 성립한다.

:$W=Pt$

위 식은 줄의 법칙의 열량 H(단위·J)와 다음과 같은 관계가 있다.

:$1W\backslash cdot\{\}s=1J=0.24cal$

또한, 일반적으로 전류를 흘리면 자기장이 발생하며, 직류에서도 마찬가지로 자기장이 발생한다. (오른나사 법칙)

5. 활용

직류는 다양한 분야에서 활용된다. 초기에는 아크등과 같은 조명에 주로 사용되었으나, 토마스 에디슨의 백열전구 기반 전기 공익사업 시작 이후 사업체와 가정의 실내 조명에 저전압 직류가 널리 사용되었다. 그러나 변압기를 이용해 전압을 조절하여 송전 거리를 늘릴 수 있는 교류의 이점 때문에, 전력 공급 분야에서는 점차 교류로 대체되었다.^[8]

고압 직류 송전(HVDC)은 대량의 전력을 송전할 때 직류를 사용하는 방식이다. 장거리 송전의 경우, HVDC 시스템이 비용이 저렴하고 전력 손실이 적을 수 있다. 일반 가정에는 교류가 송전되지만, 기기 내부 정류기를 통해 직류로 변환하여 작동하기도 한다. 홋카이도-혼슈 간 연계 설비처럼 정전용량이 높아 교류 송전 시 손실이 큰 해저 케이블 구간이나, 긴 구간에 걸쳐 중간 이용이 없는 송전에는 사이리스터 등 전력 전자 기술을 활용한 직류 송전이 사용되기도 한다.^[4]

직류 모터에는 S극과 N극을 바꾸기 위한 정류자가 필수적이다.^[10] 자동차, 통신 장비, 전화기 등 다양한 기기에서 직류가 사용된다. 자동차 배터리는 엔진 시동, 조명 등에 전력을 공급하며, 발전기는 정류기를 통해 직류를 생성하여 배터리를 충전한다. 전화 교환대 통신 장비는 −48 V DC 전원 공급 장치를 사용하며, 이는 전기 분해 침전을 방지하기 위한 것이다.^[11]

연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 직류 전기를 생산한다.^[10] 초저전압 및 저전압 응용 분야, 대부분의 전자 회로 및 장치, 배터리 전기 자동차의 구동 모터 등에도 직류가 널리 사용된다.^[11]

5. 1. 직류 발전

5. 2. 직류 송전

5. 3. 직류 기기

5. 4. 기타 응용

6. 한국의 특수 사례: 지자기 관측과 철도 전철화

이미 설명했듯이 직류 전류에서도 자기장이 발생한다. 시판되는 건전지 하나만으로도 나침반이 약간 반응할 정도이므로, 자기를 측정하는 장소 및 그 주변에서는 고전류로 직류 전압을 가하는 것을 엄격히 제한하고 있다. 예를 들어 이바라키현에 있는 기상청 지자기관측소의 관측에 악영향을 미치지 않도록, 도쿄 주변의 철도는 직류 전철화가 대부분임에도 불구하고, 조반선 토리데 이북이나 미토선, 쓰쿠바 익스프레스의 모리야 - 쓰쿠바 간은 교류 전철화되었고, 관동철도의 2개 노선은 비전철화되어 있다.^[1]

참조

_[1] 서적 Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing https://books.google[...] Lippincott Williams & Wilkins
_[2] 서적 Basic Electronics & Linear Circuits https://books.google[...] Tata McGraw-Hill Education
_[3] 서적 Electrical meterman's handbook https://books.google[...] Trow Press
_[4] 학술지 Charles F. Brush and the First Public Electric Street Lighting System in America http://publications.[...] Kent State University Press 2017-04-00
_[5] 웹사이트 Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta – grants.hhp.coe.uh.edu http://grants.hhp.co[...] 2017-05-29
_[6] 서적 Physics Palgrave Macmillan
_[7] 웹사이트 Pixii Machine invented by Hippolyte Pixii, National High Magnetic Field Laboratory http://www.magnet.fs[...] 2008-06-12
_[8] 웹사이트 The First Form of Electric Light History of the Carbon Arc Lamp (1800–1980s) http://www.edisontec[...]
_[9] 서적 Newnes Dictionary of Electronic https://books.google[...] Newnes
_[10] 학술지 Battery management strategies: An essential review for battery state of health monitoring techniques https://www.scienced[...] 2022-07-01
_[11] 웹사이트 Tesla Model 3 & Chevy Bolt Battery Packs Examined https://cleantechnic[...] 2018-07-08
_[12] 백과사전 日本大百科事典
_[13] 서적 Clinical Electrophysiology: Electrotherapy and Electrophysiologic Testing http://books.google.[...] Lippincott Williams & Wilkins