전기설비에 숨어있는 전자기학

1부 정전계의 응용
1장. 전계 해석의 이해
2장. 정전계 응용 전기설비

2부 정자계의 응용
3장. 자계해석의 이해
4장. 정자계 응용설비

3부 교류(시변)전자계의 응용
5장. 시변 전자장의 이해
6장. 교류전자계 응용설비
7장. 전기가열의 응용

4부 MAXWELL 방정식
8장. 벡터 미분 연산자의 이해
9장. MAXWELL 방정식
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교류(시변)전자계의 응용
우리 주변의 수 많은 전기설비들은 대부분 상용주파수의 교류 전력을 사용한다. 우리나라의 경우 1초에 60번씩 전압과 전류의 크기가 변화하는 60[Hz] 상용주파수 전력을 사용한다. 지금까지 공부한 정전계와 정자계 이론은 시간에 따른 전류와 전압의 변화가 없다는 것을 전제한 것이다. 이 말은 실제로 시간에 따른 변화가 없거나 변화가 있더라도 실용상 시간에 따른 전압과 전류의 변화율을 고려하지 않아도 그 원리의 이해나 응용에 문제가 없는 경우를 다루었다는 뜻이다. 그러나 전기설비의 원리나 설비관리 실무를 이해하는 데 있어 특히 60Hz 교류를 사용하는 대부분의 전기 설비관리에 있어 전압과 전류의 시간적 변화를 고려하지 않으면 그 현상이 이해되지 않는 경우도 많이 있다.
시간에 따른 전압(전류)의 변화는 주변에 시간에 따라 같은 속도로 변하는 자계를 발생하며 이 자계가 주변의 도체 내부에 다시 전계와 자계를 발생시키는 전자유도전자유도 현상은 우리 주변의 수많은 전기현상의 근본원리가 된다.
가장 대표적인 것이 변압기와 유도전동기다. 이 둘을 제외하면 전기설비 관리 기술은 의미를 잃을 것이다. 그만큼 시변전자계의 전자유도 기술은 전기기술자라면 누구든 그 원리를 정확히 알고 활용할 줄 알아야 하는 핵심기술이다.
이 장에서는 시변전자계(時變電磁界, Time Varying Electromagnetic Field)가 빚어내는 다양한 전기설비 내부의 이야기를 다룬다.
전력케이블에 교류전류를 흘리고 도체 내부의 전류밀도를 측정하면 전류는 도체 단면에 골고루 흐르는 것이 아니라 도체의 중심부보다 바깥쪽으로 몰려 흐른다. 또한 시변자계시변자계(時變磁界) 내부에 있는 고온의 쇳물(비자성체)은 시변자계에 따라 움직이며 섞이게 된다. 또한 시변 전자계는 도체 내부에 주울열을 발생시켜 그 도체를 가열하기도 한다. 또한 시변자계가 발생시킨 유도전류(와전류)는 유도전동기를 회전하게 하는 핵심적인 존재이지만, 역설적이게도 유도전동기가 기동(Start)할 때는 기동 특성을 나빠지게하는 원인이 되기도 한다.
이처럼 시변전자계는 우리 주변에서 많은 전자기적 현상을 발생시키고 전기기술자들은 이들을 적절히 이용하거나 이들 현상으로 인해 발생하는 문제점에 대책을 세우는 등의 다양한 기술 활동을 하고 있다
본 장에서는 이러한 시변전자장에서 발생하는 여러가지 전자기적 현상을 이해하고 설비관리 실무에 활용하는 기본 체력을 다져 보기로 한다.