전압
1. 정의
Voltage · 電壓
1.1. 전자기학의 개론적 정의
1 C(쿨롱)의 전하가 1 J(줄)의 에너지를 얻거나 잃을 때의 전압(전위'''차''')을 1 V(볼트)로 정의한다. 더 간단하게 설명하면, 전압은 '''단위 양전하 간 전기적 위치 에너지 차'''로 정의된다.(Voltage is defined as '''the difference in electric potential energy between unit positive charges.''') 이마저도 쉽게 설명된 것이므로 자세한 것은 전기 퍼텐셜 문서 참조하기 바란다. SI 단위에서의 정의는 kg·m2·s-3·A-1이다. 정의에 뜬금없이 질량 단위인 킬로그램이 들어가서 의아할 수 있겠지만, 이것은 에너지의 단위인 J에서 파생된 것이다.
전기 퍼텐셜 차이는 퍼텐셜 에너지에서의 '변위'라고 생각하면 된다. 이 때문에 동의어로 전위차가 있다. 전압은 상대적인 값이기 때문에 '''반드시 두 개 이상의 지점이 전제돼야 하고''', 이들 사이의 값을 측정해야 한다. 예를 들면 한쪽이 접지에 대해 +20 V이고 한쪽이 +10 V라면 두 지점 사이의 전압은 (+20) - (+10) = 10 V다.
조금 알기 쉽게 얘기하면, 양전하[1]는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는데, 이때 전하가 이동한 두 지점 사이의 전위의 차이를 전압이라고 한다. 전기를 주로 물에 비유하게 되는데, 전류가 단위시간당 흐르는 물의 양이라면 전압은 물의 높이 차이라고 보면 된다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지를 갖고 있듯이, 전압(전위차)이 클수록 더 많은 전기 에너지를 갖고 있다. 또한 높이 차이가 없으면 물이 흐르지 않듯이 어떤 두 지점 사이의 전압이 0이라면 그 사이에는 전류가 흐르지 않는다.[2]
1.2. 회로이론적인 역학 관계 정의 (옴의 법칙)
사실 전공자들이 배우는 순서는 윗 문단처럼 '전기 퍼텐셜'이 먼저고, '회로이론'은 훨씬 나중에 등장한다. 이는 전기 퍼텐셜이 좀 더 자연과학적이고 엄밀한 정의이기 때문이다. 그래서 사실 중학교·고등학교 교과서에서도 윗 문단처럼 전기 퍼텐셜을 먼저 배우는 게 순서상 맞는다. 그러나 관련 내용들이 굉장히 심오하기 때문에 중학교·고등학교 교육과정에서는 아래처럼 공학적인 정의를 도입하게 되었다.(일단 전기회로 자체가 자연물이 아니고, 인간이 만들어낸 인위물이다.)
아래와 같은 전기회로에서의 정의를 옴의 법칙이라 한다. 이 정의 법에 따르면 1 A(암페어)의 전류가 1 Ω(옴)의 저항을 통과할 때 1 V로 정의한다. 잘못된 것은 아니지만 어떻게 보면 바탕에 두고 있는 정의는 아니다. 왜냐하면 이 정의는 '전기회로'라는 한정된 조건하에 '''저항'''이라는 개념을 들이기 위해 만들어졌기 때문이다. 즉, '저항' 자체가 목적인데, 오히려 저항을 갖고 전압을 정의하고 있는 것이다. 또한 '회로'라는 게 없으면 '전압' 자체를 정의할 수 없게 되는 치명적인 단점도 있다.
고등학교 교육과정에서는 물리학Ⅱ 과정에서 비로소 이전 문단처럼 전위차(전기 퍼텐셜)를 원론적으로 정의하기 시작한다.
2. 오해
- 전압은 전기적인 압력이라는 의미가 아니다. 실제로도 전압 대신 전위나 전위차라고 부르는 경우가 많다. '전압'의 의미가 전기적 위치 에너지이기 때문이다[3]. 그런데 진짜로 압력 개념이 들어가는 수압을 갖고 수위차라고 바꿔 불러도 의미가 통한다는 식으로 이야기하면 대부분 쉽게 받아들인다. 심지어 교과서나 수험서 등에서도 전압의 개념을 소개할 때 수압의 개념을 인용하여 시각적으로 나타낸다.
- '기전력'과 '전압'은 서로 크기는 같을지 몰라도 의미는 다르다. 단위 전하 입장에서 '기전력'에 의해 에너지를 받는다고 표현하며, '전압'만큼 에너지를 잃는 것이다. 쉽게 말하자면, 미끄럼틀로 올라가는 것과 미끄럼틀을 내려가는 것은 같은 높이를 가질지라도 일의 부호가 다른 것과 같다. 더 쉽게 말한다면, 전압은 그 제품이 에너지를 사용하는 개념이고, 기전력은 에너지를 들여오는 개념이다.
- 건전지의 전압은 1.5 V이다. (X) → 건전지의 기전력은 1.5 V이다. (O)
- 선풍기의 기전력은 220 V이다. (X) → 선풍기의 전압은 220 V이다. (O)
- 기전력은 전력이 아니다. 단위부터 볼트[V]와 와트[W]로 다르다. 기전력은 도체에 전위차(전압)을 생기게 하고 그 전위차를 유지함으로 전류를 흘리게 하는 능력을 가리킨다. 단위 전하당 한 일의 양이라고 할 수 있다.
- 오버클럭이 아닌 과전압을 넣어 컴퓨터 부품을 승천시키는 영상이 몇몇 있다. 심지어 AMD 쿨러는 전압을 높이면 날아다닌다! 그에 반해 인텔 쿨러는 설정된 전압이 아니면 작동을 안 하거나 연기가 난 후 그대로 죽는다.[4]
3. 접지 (전압=0V)
접지는 거대한 하수도의 개념으로 보면 된다. 접지의 상대적인 전압은 무조건 0V이며[5] 회로에서 보통 전원의 (-)극에 연결하면 되나 특정 회로에서는 정말로 접지선으로 따로 빼야하는 경우도 많다.[6]
특정 전압이 필요한 회로를 설계할 때 한쪽은 적절한 전압이 가해지는 (+)극에, 다른쪽은 그냥 접지로 때려버리기도 한다. 회로도와 실제 제품의 회로의 차이가 생기는 이유.
4. 단락 (전위차=0V)
쇼트라고도 한다. 전원과 같이 기전력이 유지되는 상태에서 합선 등으로 인해 두 지점 사이의 저항이 0에 가깝게 떨어지게 되면[7] 옴의 법칙에 의해서 전류가 무한에 가깝게 흐르게 된다.[8] 이렇게 되면 전류에 의한 줄열로 회로가 파손되거나 화상을 입을 위험이 있기 때문에 이를 보호할 목적으로 각종 차단기나 퓨즈가 개발되었다.
5. 교류의 전압 (평균전압=0V)
일단, 직류의 경우 정말 정직하게 +극은 표시되어 있는 전압, -극은 0V이라서 이해하기도, 계산하기도 간단하다.
교류의 경우 전압이 Ground를 기준으로 +와 -를 규칙적으로 교번하기 때문에 항상 평균 전압은 0이 되어버린다. 마치 sinx를 0에서 2pi까지 적분하면 값이 0인것과 같은것이다. 하지만, 평균전압이랑 실효전압은 다르다. 우리가 일반적으로 한국에서 쓰는 220V는 실효전압값으로 계산방법은 다르다. RMS의 계산방법은 일단 sinx를 제곱(Square)해준다. 그다음 sinx의 한 주기인 0 to 2pi를 적분해주고, 평균을 낸다(Mean). 그리고 다시 제곱근(Root)를 취해준다. 이를 통해서 sinx의 실효값은 1/√2가 나오는데, 즉 우리가 아는 220V는 RMS값이라는것이다. 그러니까 전압 파형을 그려주게 된다면 220V에서 √2를 곱해준 값이 나와야 한다는거고 이 값은 대략 311V가 되는 것이다. '''따라서 대한민국에 쓰는 220V (60Hz)의 전압 그래프를 그려주면 1초에 60번 진동하며, 진폭은 +311V에서 -311V까지 널뛰는 그래프가 나온다는 것이다. 즉, 순간 최대전압은 311V까지 나올 수 있다는 것이다.'''
교류는 계속해서 전압이 변화하기 때문에 대다수의 전자제품(예를 들면 컴퓨터나 모니터 같은 안정된 전압을 가지는 전원을 요구하는 솔루션)에 적합하지 못하다. 이러한 기기들은 일단 교류를 공급 받아서(110~220V의 높은 전압) 내부적으로 원하는 낮은 전압으로 변압하고 정류 회로를 통해 직류 전원으로 변환하여 전원을 사용하게 된다. 컴퓨터는 이러한 역할을 파워서플라이가 담당하고 있고 모니터는 전원 어댑터가, 스마트폰의 경우는 충전 어댑터가 담당하고 있다.
교류는 직류에 비해서 단점이 대단히 많다. 리액턴스가 존재하고 표피 효과로 인해 손실도 더 크며 유도장해를 일으키는 데다가 스마트폰이나 배터리, 컴퓨터, TV등 어지간한 기기들은 직류 전원을 요구하니 번거롭게 가정에 교류 전원이 수전 될 이유가 통 없어보인다. 그러나 교류는 교류의 단점과 직류의 장점을 다 씹어먹을 엄청난 장점을 하나 갖고 있으니, 바로 변압이 엄청나게 쉽다는 것이다. 기초물리를 배워본 사람들은 알겠지만, 변압기의 아주 기초적인 구조는 코일(구리스프링)같이 생긴거를 서로 가까이 가져다두거나 안, 밖으로 포개두면 완성이다.
실생활에서 교류를 사용하는 이유는 변압의 용이함과 경제성, 그리고 신뢰성 때문이다. 교류는 전압을 변경하려면 변압기 하나면 해결되지만, 직류는 전력 소자가 발전하기 전까지는 전압의 변경이 매우 힘들었고[9] 지금도 대용량으로 큰 폭의 승압 및 강압을 교류만큼 경제적으로 신뢰성 있게 하기 어렵다.[10][11]
교류에는 극성이 존재하지 않지만, 그럼에도 방향성은 있다. 배전망에서 발생하는 문제인데, 대부분의 경우 상전압이 걸리는 선과 걸리지 않는 선으로 방향성이 존재한다. 물론 극성은 전혀 없으므로 이거 가지고 큰 문제가 생기는 경우는 드물고, 덕분에 많은 곳의 배전반을 뜯어보면 상 전압이 걸리는 선 (단상의 경우 활선 혹은 L선이며 3상의 경우 R선 S선 T선이 있다.)과 상 전압이 걸리지 않는 중성선(N선)의 구분이 있는데 이걸 거꾸로 연결한 경우가 허다하다. 거꾸로 연결해도 보통 별 문제가 없다보니... 게다가 회로도 상으로 저걸 구분하는게 매우 어려워서 잊을 만하면 잘못 연결하게 된다. 하지만 상전압선과 중성선을 거꾸로 달았을 때 잔광현상 등의 매우 성가신 문제가 있긴 하다.
6. 전압 종류
6.1. 가정용
6.1.1. 110V와 220V
가정용 전기의 전압 표준은 대개 100~120V와 220~240V 대역으로 나뉜다. 많은 전압값 중에서 왜 이 값이 표준으로 자리잡았는지 궁금해할 수 있는데, 이것은 토머스 에디슨의 유산이다. 에디슨은 알려져 있다시피 전구 상용화에 성공했는데, 충분한 밝기를 내기 위해서는 전력이 많이 필요했으므로 적당히 높은 전압이 필요했다. 이때 그가 선택한 전압이 110V(직류)였다. 이후 에디슨은 전구 시장을 주도하면서 전구에 사용하는 전압 표준을 사실상 110V로 만들어버린다.
이러다 보니 1880년대 벌어진 전류전쟁에서 교류 진영의 업체들도 전압은 에디슨의 110V를 따라갈 수밖에 없었다. 당시에는 전기의 주 사용처가 백열전구였는데, 백열전구는 전압만 같으면 직류를 쓰든 교류를 쓰든 큰 상관 없이 작동하지만, 전압이 높으면 필라멘트가 끊어지고 전압이 낮으면 밝기가 떨어지기 때문이었다. 물론 당시에도 전압을 높이면 장거리 송전에 유리하다는 것을 알고 있었기에, 전압을 2배 높인 220V 교류를 지지하는 사람들도 있었다.[12] 그런데 직류를 지지하던 에디슨은 교류를 비방하며 220V는 전압이 너무 높아 감전의 위험이 크다고 언론을 동원한 악의적인 소문을 많이 유포시켰다. 결국 대중들은 220V가 110V에 비해 위험하다는 인식을 갖게 되면서, 교류가 전류전쟁에서 승리한 이후에도 미국의 일반 가정용 전원 전압으로는 110V가 정착되고 다른 전기/전자제품도 110V 기준으로 보급되었다.
다만 미국 가정에도 220V가 공급되기는 했다. 에디슨은 3선을 이용해 직류 110V와 220V를 동시에 공급하는 방식[13]을 고안했는데, 이에 영향을 받아 교류도 단상(single-phase) 3선식 송전 방식으로 220V와 110V를 모두 쓰는 표준이 정착되었다.[14] 다만 큰 전력이 필요한 일부 전기제품만 220V를 쓰고 나머지 일반 제품들은 110V를 쓰는 것이다.
유럽에서도 처음에는 미국을 따라 110V 교류가 정착되는 듯 했으나, 독일 베를린의 전력공급회사였던 BEW가 19세기 말에 승압에 나선다. 초기 전구에는 탄소 필라멘트를 썼기 때문에 전압을 높이기가 어려웠으나, 19세기 말에 금속(텅스텐) 필라멘트가 발명되면서 220V도 버틸 수 있는 전구를 만들 수 있게 되었다. 무엇보다 전력회사 입장에서는 공급전압을 높이면 그만큼 전류를 낮출 수 있어 같은 굵기의 전선으로도 더 많은 전력 공급이 가능해져 비용을 절감할 수 있다. BEW는 아직까지는 전기제품 보급이 많이 진행되지 않았기 때문에 전압을 높이더라도 소비자들에게 적절한 보상만 해주면 반발을 무마할 수 있다고 판단했다. BEW는 이에 따라 당시 보급되어 있던 110V용 전구를 교체하는 비용을 지원해주면서 220V로의 승압을 추진했다. 이 흐름에 다른 유럽 전력회사들도 동참하면서, 유럽에서는 20세기 들어 (영국을 제외하고는) 220V가 전압 표준으로 정착된다. 영국은 독특하게 240V를 표준으로 선택한다. 이후 다른 국가에서는 전기 보급의 영향을 미국/영국/독일(또는 프랑스)에서 받았는지에 따라 채택하는 표준이 달라졌다.
그러다가 유럽은 유럽 통합을 추진하면서 대륙 국가들과 영국의 전압 표준을 통일시키고자 했다. 그래서 1987년에는 대륙의 220V와 영국의 240V(일부 지역은 250V) 사이인 230V를 표준으로 채택한다. 물론 전기 시스템을 한꺼번에 바꿀 수는 없어서 230V를 기준으로 ±10%의 허용 범위를 뒀다. 이렇게 되면 220~250V 범위가 모두 표준 안에 들어온다. 이에 따라 유럽 국가들은 점차 230V로 전압이 수렴해가고 있다.
[image]
자세한 것은 단자/전원 문서 참조.
이 지도를 보면 국가별 가정용 전기의 규격을 자세히 볼 수 있다. 220~240V를 쓰는 나라가 100~120V를 쓰는 나라보다 훨씬 많다.
110V와 220V의 장단점을 비교하자면,
- 110V는 220V보다 전압이 낮은 만큼 감전될 경우 치명상을 입을 확률이 낮다. I=V/R 이므로 당연하다.[15][16]
- 그래도 기술자들은 절대 바보가 아니므로, 220V용 전력 기구에 주로 쓰이는 Type C 계열 콘센트는 110V에 주로 쓰이는 Type A/B(일명 11자)보다 감전의 위험이 적고 훨씬 안전하게 설계되어 있다. 미국(120V)이나 일본(100V)의 Type A/B 콘센트는 단자가 드러나게 살짝 뽑힌 상태에서도 동작하고 심지어 그상태에서 단자를 만져 감전당하는 사고가 생기기도 하지만, 대한민국과 유럽의 Type C 콘센트는 빈틈없이 꽉 끼인 형태로 꽂히고 접촉부 구멍 앞에 자그마한 뚜껑 같은 것까지 달려있는 형태라 콘센트 자체가 삭아서 부서져버린다던가 물묻은 손으로 만지는 등의 답이 없는 상황만 아니라면 감전 걱정은 안해도 된다. 그러나 Type C 콘센트의 채택 여부 자체는 전압과는 전혀 상관이 없기 때문에, 국가에 따라서 안전 그딴건 없을 수도 있다. 가령, 필리핀에 가면 220V를 뿜뿜 내뿜는 Type A/B 콘센트를 볼 수 있고 베트남 콘센트도 Type A/C 겸용 콘센트에서 220V가 뿜어져 나온다. 그나마도 Type C는 접지가 없다.
- 220V는 110V보다 전압이 2배로 높기 때문에 송전 중 손실전력이 1/4로 줄어든다. 변압을 위한 설비도 110V에 비해 간단하다. 손실전력이 적으니 정전확률이 줄어든다. 그리고 같은 두께의 전선에 보낼수 있는 전력이 110V보다 더 많기 때문에 과부하로 인한 화재위험 또한 줄어든다. 한국의 경우 110V에서 220V로 승압하는 과도기에 생활 수준이 향상되기 시작하면서 전자기기의 수요가 늘어나자 과부하 때문에 차단기가 내려가 정전이 일어나는 경우가 자주 있었으나, 220V로의 승압이 완료된 이후로는 이런 일이 매우 드물어졌다.
그래도 불행 중 다행으로 여겨야 되는지는 알 수가 없지만, 어떻게든 승압 사업을 잘 해 나가면서 중국과는 다른 NEMA 14 규격이 사용되는 고압라인과 저압라인을 분리하여 가정에 들이는 방식으로 보급되고 있다. 가령 일반 소형 가전은 NEMA 5규격으로 125V를 사용한다면, 에어컨등 중형 가전은 NEMA 6규격 208~240V, 전기 오븐등 대형 가전은 NEMA 14규격으로 250V를 사용하는식. 물론 NEMA 6 보급이 의외로 미진해서 에어컨을 다운스펙해서라도 NEMA 5 규격에 맞추어 파는 경우가 많지만, 일단 현 상황에서 미국은 120V와 240V를 혼합하여 사용하고 있다. 다만 중대형 가전제품 전기 콘센트를 볼일이 적어서 눈에 잘 띄지 않을 뿐. 게다가 과거 110V였던 전압을 서서히 표준 규격 등을 강화하고 NEMA 5에서 접지를 도입하여 안전성을 확보한 뒤 117~120V로 승압해서 효율을 조금이나마 올리는 시도를 하였고, 차후 있을 승압에 대비해 현재 NEMA 5 안전 표준은 최대 인가 전압 125V로 맞춰져있다.
6.1.2. 대한민국
대한민국의 경우 220V를 쓰고 미국은 110V(117V)[17], 일본은 100V를 쓰고 있다. 한국은 전부 60Hz이지만 일본은 지역에 따라서 50Hz를 쓰는 곳도 있는데, 동일본은 100V 50Hz, 서일본은 100V 60Hz이다.[18] 사우디아라비아도 50인 지역이 있으나 이웃나라 인접지대 일부로 보인다.
그나마 다행인 것은 남북 통일을 가정할 때, 북한도 남한과 동일한 220V 규격에 60Hz를 사용한다는 점이다. 다만 자원부족으로 발전이 원활하지 않아서 종종 전기가 끊기거나 전원공급이 불균일하다고 한다. 어차피 실제 통일할 때 죄다 갈아야 하긴 하지만, 최소한 발전기의 주파수 규격이 같다는 게 위안이다.
한국에서 쓰는 F타입의 일명 슈코(Schuko) 플러그(접지단자 포함)는 독일이 원조로, 바이마르 공화국 시절인 1925년에 만들어진 것이다.[19]
한국은 110V와 220V의 안전성 차이가 효율을 포기할 정도로 심각하진 않다고 판단해 110V를 써오다가 1970년 '220V 승압 사업' 계획을 확정하고, 1973년부터 본격적으로 시작하였다. 사업 당시엔 효율도 의심스러웠던 것이 110V 전용 기기를 220V에 끼웠다가 비싼 전자제품을 날려먹는 일이 부지기수였다. 아파트나 주택 내의 220V 승압 공사를 하면서 콘센트를 기존의 110V로 땜빵 혼용하는 경우가 많았기 때문. 물론 돼지코만 끼우면 변압이 자동으로 된다고 믿었던 사람들도 많았고... 참고로 당시는 지금과는 비교가 안 될 정도로 프리볼트 기기를 찾아보기 어려운 시기였다.[20]
220V 승압 작업이 국내 전자산업 육성을 위한 일종의 비관세 무역장벽을 세운 것이란 주장도 있으나 일부러 의도한 것은 아니고 우연히 무역장벽 효과를 얻은 것에 불과하다는 반론도 있다. 전압은 가정이나 건물에 설치된 전기 설비만 교체하면 가능한데 주파수 변경은 발전 설비 자체를 교체하거나 50Hz 교류를 DC로 정류한 다음 다시 60Hz로 다시 만들어내는 기기가 필요하다. 한국이 60Hz를 사용하게 된 것은 미국의 영향을 받았거나 일제강점기 때 일제가 그냥 60Hz발전기를 가지고 와서 설치했거나 정도로 추측 가능하다.
이 사업은 강원도 삼척군(지금의 삼척시)에서 시작하여, 2005년에 이르러 승압 거부 고객과 노후 건물 등을 제외하고 사실상 모든 가구의 전력을 220V로 승압함으로써 32년에 걸친 대장정에 마침표를 찍었다. 그 후, 한국의 전력 손실률은 세계 최저 수준인 4.5%까지 줄어들었고, 불필요한 설비도 많이 사라져 전력 설비 건설비와 유지비 등도 많이 절감되었다. 그리고 승압 전엔 거리에 전선줄이 너무 많았지만 승압 후 전선줄이 많이 줄어들어서 한결 깔끔해졌다.
과거에 지어진 건물을 보면 110V콘센트와 220V콘센트가 동시에 달려있는 경우가 있는데 이는 따로 변압기가 설치된 것이 아니라 단상 3선식으로 배선된 것이다.
한국전기연구원 블로그의 포스팅에서 우리나라의 220V 승압에 대한 이야기를 접할 수 있다.
6.1.2.1. 대한민국의 가정용 전압이 220V인 이유
220V를 사용하는 이유가 송전 시의 전력손실 때문이라는 상식이 알려져 있고, 결론적으론 이게 맞긴 한데, 정확히는 좀 다르다. 사용자가 최종적으로 받는 일반 전압과 송전 및 배전용 전압은 별개이기 때문인데, 국내 송전 전압은 765kV지 220V가 아니다. 하지만 일반 전압은 변전에 큰 영향을 끼치며, 배전시의 전압, 즉 전봇대 전압을 제한하며, 이것 때문에 110V가 220V보다 송전 효율이 좋지 않다. 110V는 220V에 비해 전압 강하에 훨씬 민감하기 때문에 전원 품질을 유지하기 위해 변전을 훨씬 많이 해야 하며, 배전에 사용되는 망의 전압도 훨씬 낮다. 결국 변전소 수가 늘어나서 비용 증가로 이어진다. 이래서 대한민국의 배전 전압은 22.9kV지만, 미국은 6.6kV에서 겨우 13kV로 갈아타는 중이다.
하지만 220V를 쓴다고 무조건 송전 효율이 증가하는 것은 아니다. 전기가 발전소에서 생성되어 가정이나 공장까지 오기에는 여러 단계의 변전소와 송전망을 거치는데, 중간 송전망이 그대로 비효율적이면 가정용 전압이 올라가도 아무 소용이 없다. 우리나라의 경우 60~70년대에 농어촌 전화사업에 의한 막대한 수요 증가로 인한 회선 교체 비용을 당시 재정상의 형편으로는 도저히 감당할 수 없어 일괄적으로 220V로 승압했고, 그와 함께 배전 전압도 22.9kV로 승압했다. 결과적으로 변전 횟수가 크게 줄어들었고, 현 송전 규격인 765kV가 성공적으로 도입되었기 때문에 70년대 말에는 손실율이 30%에서 10%대로 떨어졌다. 2010년대 후반 현재는 세계은행 자료에 의하면 3%대를 유지하고 있다. 유럽 쪽 송전 효율 문제는 나라별로 조금씩 다르다. 역시 세계은행 자료에 의하면 유럽 안에서도 나라별로 송전 효율 편차가 크다는 것을 볼 수 있다. 결국 실제 전력 인프라에서의 효력과 인프라의 품질이 따라가줘야 효과가 있는 것. 즉, 엄밀히는 220V가 송전효율이 좋다기보다는, 송전효율을 높이려다보니 220V를 쓰게된 것에 가깝다.
선진국은 안전을 위해 100V대를 쓰는데 한국은 후진국마냥 220V를 쓴다(?)'는 이야기는 '''전혀 사실과 맞지 않는 완벽하게 틀린 헛소리'''다. 애초에 선진국인 서유럽 국가들에서 220V을 쓰는 것만 봐도 간단히 반박할 수 있다. 무엇보다도 개발도상국 시절에 110V를 쓰다가 선진국인 지금 220V를 사용하는 한국 자신이 위에 대등하게 이어진 두 개의 진술을 쌍으로 반박할 수 있는 지구상에서 가장 확실한 반증 사례임에도 불구하고 정작 일부 한국인들이 저렇게 우기고 있는 상황이 심히 아이러니하다. 모든 유럽 국가들이 220V를 쓰고 있고, 오히려 미국이나 일본도 110V로는 도저히 감당 안되는 전자제품들이 있어 별도로 200V대의 단자를 집집마다 구비하고 있는 추세이다.
미국이나 일본 등 일부 국가에서 100V대를 굳이 쓰는 것은 일상생활에서 100V대를 쓰는 데 너무 익숙해져 있어서 불편을 느끼지 못하는 데다 인프라 교체에 들어가는 막대한 비용 때문에 배보다 배꼽이 더 커지기 때문이다. 미국 같은 경우는 미터법을 안 쓰고 미국 단위계를 고집하는데 근본적으론 결국 배보다 배꼽이 더 커서이다. 당장 옆동네 일본만 봐도 비용을 감당하지 못해 승압을 못한다.[21]
6.1.3. 일본
일본의 경우 지진이 많기에, 지진으로 건물이 붕괴되었을 때 내부 전선이 노출되었을 시 220V에 비해 100V가 안전하기에, 울며 겨자먹기로 100V대를 써야 하는 이유가 있다는 카더라가 존재하지만 일본 웹에서도 근거를 찾을 수 없다. 게다가 '''일본만큼 지진, 화산활동이 잦은 뉴질랜드, 아이슬란드가 230V를 쓰고 있다.'''
또한 일본 전압의 주파수는 지역별로 다르다. 큰 분류로 간토지방은 50Hz만을, 간사이지방 아래로는 60Hz만의 전력이 공급된다.[22] 이러한 이유는 일본 역사 안의 발전기 도입과 관련이 있는데, 간토지방에 발전기가 최초로 들어왔을 때는 50Hz의 독일제를 도입했고, 후대에 간사이지방에 들여온 발전기는 60Hz의 미국제를 들여왔기 때문이다. 이러한 환경으로 인해 거의 모든 일본제 전자기기는 50Hz/60Hz 겸용으로 제조되고 있다. 대부분의 전기/전자 제품은 상호 호환이 되어 있고 구형 모델은 뒷면에 스위치가 마련되어 있어 사용자가 직접 전환해야 한다. 도카이도 신칸센을 부설할 당시에도 이 문제가 불거져서 여기에는 도쿄 쪽으로 변전소를 따로 지어서 60Hz로 통일시켰다.
사실 일본 가정집에도 200V가 들어온다. 다만 콘센트가 하나 정도 밖에 노출되어 있지 않다. 전력 소비가 큰 거실용 에어콘이 꽂혀 있는 콘센트를 잘 살펴 보자. 100V용 콘센트가 ││처럼 생겼다면, 200V는 ─ ─ (15A) 또는 ┓─ (20A) 처럼 생겨서 전압이나 전류가 맞지 않는 제품을 잘못 꽂는 걸 방지하고 있다. 이러한 200V용 콘센트는 주로 에어컨, 인덕션, 전기차 충전 등 전력 소비가 큰 전자제품에 사용된다. 또한 이 콘센트에 어댑터를 활용하면 220V용 전자제품을 변압기 없이 이용할 수는 있으나, 전압이 20V 낮으며 관동 지역은 50Hz를 사용하므로 전압이나 주파수에 예민한 기기를 사용할 때는 주의해야 한다.
6.1.4. 국가별 양상
미국은 110V~120V 60Hz이다. 미국은 원래 110V에 맞춘 전기 코드 모양을 사용했으나, 점차 혼합형 전기를 사용하기 시작하게 된다. 2018년 기준 아직까지는 110V~120V가 220V보다는 압도적으로 매우 많지만, 후술하듯이 승압 사업을 잘 해 나가면서 미국 본토의 취업난도 해결할 겸 미국의 백수들에게 일자리를 주어 (전기 관련 쪽으로 취업시킴) 경제 문제도 해결하며 그렇게 곧 중국처럼 110V와 220V가 합쳐진 형태의 모양을 추구하고 있다.
미국에서도 가정집에 주방과 세탁실엔 거의 필수로, 드물게 차고에 240V 전력선이 들어오는 경우가 있는데 이는 전기 오븐/전자레인지/전기 스토브나 가정용 세탁 건조기에 필요한 전력이 기존 110~120V로는 부족하기 때문이다. 이런 이유로 미국에서 세탁 건조기는 지역에 따라 가스식이 일반적인 곳도 많다. 해당 NEMA 표준은 과거 NEMA 10 규격(접지 없음)에서 현행 NEMA 14로 이어진다. 이에 더해 요즘은 전기차 보급이 많아지면서 차고에 240V라인 NEMA 14-50 공사도 역시 늘어났다.
유럽, 오세아니아 국가들은 몇몇 국가들을 제외하면 모두 '''230V 50Hz'''이다. 대다수 국가들은 한국과 동일한 형태의 플러그를 사용하나 프랑스, 스위스, 덴마크처럼 접지부분 형상이 약간 다른 나라들도 있다. 영국은 대륙과 다른 독자적인 형태의 플러그를 사용한다.
러시아는 220V 50Hz를 사용하는데 자세한 것은 추후에 설명부탁 바람
중국은 220V 50Hz이다. 중국은 원래 220V에 맞춘 전기 코드 모양을 사용했으나, 점차 혼합형 전기를 사용하기 시작하게 된다. 지금 중국은 전기 코드 모양이 220V와 110V가 합쳐진 형태의 모양에다가, 접지가 있는 부분은 한국, 미국, 일본에서 쓰는 것과는 모양이 다르다.
사우디아라비아(127V와 혼용), 브라질(110V 및 127V와 혼용), 페루, 필리핀, 가이아나(240V), 벨리즈(110V와 혼용) 등. 주로 미국과 정치적 이해관계가 큰 국가들이 60Hz를 사용한다. 단, 필리핀의 경우 식민지 시절 미국의 영향을 받았음에도 220V 60Hz를 사용하며 한국(남)과 전기 규격은 같지만 전기 코드 모양은 110V와 같으니 혹시라도 한국 전자 제품을 필리핀에서 사용할 일이 있다면 110V용 젠더를 꼭 지참하기 바람.[그리고]
최근 들어 해외 간 교역이 활발해짐에 따라 프리볼트라고 하는 100V~240V 50~60Hz 대역을 전부 지원하는 전자제품이 대다수이다. 좀 구식은 스위치를 바꾸는 방식으로 110V대, 220V 선택 후 사용이 가능하며, 보통 AC어댑터의 경우 자동으로 인식한다. 메뉴얼이나 어댑터의 라벨에 input 100V~240V, 50~60Hz 라고 적혀있으면 프리볼트 제품으로 어느 나라에서나 사용할 수 있다. 하지만 각 나라에 따라 플러그 모양이 다르기에 플러그 변환 어댑터가 필요하다. 90년대에 태어난 위키니트라면 기억할 것이다.
6.2. 산업용
산업용은 용도에 따라 약간씩 다른 방식의 전기가 이용된다. 가정에 들어가는 전기는 220V에 단상교류가 가장 흔하지만 산업용은 380V, 22900V[23] 등등에 파형도 3상 교류라는 [24][25] 신기한(?)전기들이 사용된다.
보통 산업용 전기를 가르는 기준은 단상이냐 3상이냐이고, 3상 전기를 공급받으려면 최소 일반용 전기를 신청해야 하니 상 구분이 가장 효과적일 것이다. 3상 전원을 공급받는 산업용 라인도 한국 기준으로 220V가 존재하지만, 보통은 380V에 Star 결선 (3상 4선식 1뉴트럴 + 접지별도)으로 공급받는 경우가 많다. Star 결선을 이용하면 동력전원으로 380V를 사용하면서도 제어전원용 220V를 별도의 변압기 없이 뉴트럴과 각 상에서부터 따올 수 있는 장점이 있다.[26] 대형 공장에는 3300V 와 6600V 를 공급받는 경우도 있는데, 각 3.3kV 유도전동기와 6.6kV 유도전동기를 구동하기 위해 쓰인다. 아니면 전기 도금과 같이 높은 전압과 저전류를 요구하는 애플리케이션. 이 이상의 전압은 대개 전력전송에 쓰이는 경우가 대부분이며 직접적인 이용을 할 수 없다.[27]
공급을 위해선 대개 수전설비를 별도로 운영하여야 하는 매우 번거로운 일이 기다리고 있다. 일체형수배전반이라고 해서 COS, CT, PT, MOF, TR, ATS, VCB 등의 기구를 예쁘게 짜넣은 여관방만 한 기계를 이용하여 가정집에서도 편리하게 산업용 전기를 수전해 가내수공업에 이용할 수 있다. 단 오밀조밀해서 유지관리가 까다롭다.[28]
산업용 전력은 계약전략 300kW 이하의 소규모라면 일반용 전력보다 저렴하기 때문에, 대기업들이 산업용전기를 일반용으로 몰래 돌려쓰다가 걸린 적이 있다.#
6.3. 휴대용
휴대용은 가정용이나 산업용 전기제품을 사용하기 위해서 사용하는 소형발전기를 제외하면,[29] AA건전지를 쓰는 1.5V에서부터 2차 전지를 쓰는 36V짜리가 대부분이다. 전압에 따라 주로 작동되는 전기제품은 아래와 같다.
- 1.5V: 시계, 미니카세트, 손전등, 휴대용 라디오, 일부 구형 디카 등의 장치
- 5V: USB 장비의 충전, 휴대폰
- 9V: USB PD 디바이스
- 12V: 소형 자동차용(승용차, 소형트럭, 오토바이용) 전기제품(카오디오, 경적등), USB PD 디바이스
- 14.4V: 충전 드릴, 충전 드라이버, (소형)일반형 노트북 등 휴대용 전동공구의 중급기종
- 15V: USB PD 디바이스, C타입 충전 포트를 사용하는 저전력 노트북
- 18V: 충전 드릴 등 휴대용 전동공구(고급형, 고출력 모델이 주로 사용하는 전압)
- 19V: 노트북(게이밍, 대형, 고급형모델 기종)
- 20V: USB PD 디바이스
- 24V: 대형 자동차용(대형 트럭, 버스용) 전기제품[30][31]
- 36V: 전기 자전거용 모터
- 48V: 전동 킥보드용 모터
6.4. 전지
- 1.2V - 니켈수소/니켈카드뮴 전지
- 1.5V - 망간/알카라인/일회용 리튬 건전지
- 2V - 납축전지 셀
- 3V - 망간 건전지 직렬 2개 또는 CR2(CR123A) 카메라용 전지.
- 3.6~3.8V - 리튬전지 배터리 셀
- 9V - 6F22 사각전지 또는 1.5V AAAA 건전지 6개(...)
- 12V/24V 차량용 납축전지 규격.
6.5. 전자
- 3.3V - CMOS 계통 반도체 소자의 기본전압. 아래 TTL전압처럼 현재도 여러 기기에서 표준으로 쓰인다.
- 5V - TTL로직[32] 소자의 기본전압. 현재도 여러 반도체에서 표준으로 쓰인다.
- 4.2V - 피처폰의 충전기(TTA)
- 14.5V - 노트북(애플) 충전 전압
- 15V - 닌텐도 스위치의 충전 전압
- 19.5V - 노트북(삼성, LG 등) 충전 전압
- 3000V - CCFL 램프[33]의 구동 전압
- 30000V - 브라운관 구동 전압
6.6. 전기
- 30V - 대한민국의 안전전압[34]
- 48V - 네트워크 사실상 표준전압. 가정용이야 제조사 마음대로 정하지만, 최소 사무실에서 쓰이는 네트워크 장비부터는 48v는 무조건 지원한다. POE도 48V출력이 기준.
- 100V - 일본의 가정용 교류전압.
- 110V~120V - 미국의 가정용 교류전압, 1973년 부터 2005년 까지 진행되었던 승압 사업을 완료하기 이전의 대한민국의 가정용 단상 교류 전압
- 220V - 대한민국의 가정용 단상 2선식/3선식, 산업용 3상 3선식 교류 전압[A]
- 230V - 유럽 대륙의 가정용 단상 교류 전압[B]
- 240V - 영국, 호주의 가정용 교류 전압[B]
- 380V - 대한민국의 산업용 3상 4선식 교류 전압[A]
- 400V - 유럽 대륙의 산업용 교류 전압
- 600V - 외국의 노면전차 및 제3궤조집전식 노선 [35]
- 750V - 부산김해경전철 등 대한민국의 제3궤조집전식 노선
- 1,500V - 서울 지하철 2호선 등 대한민국의 도시철도 노선 [36][37]
- 3,000V - 북한 및 외국의 간선철도 표준 전압
- 15,000V - 독일어권 국가, 노르웨이, 스웨덴의 간선철도 표준 전압. 주파수는 16 2/3 또는 16.7 Hz를 사용한다.
- 22,900V - 대한민국의 배전 전압
- 25,000V - 경부고속선 등 간선철도, 광역철도 노선 [38]
- 765,000V - 대한민국의 최대 송전 전압
- 1,100,000V - 외국의 초고압직류송전(HVDC)에서 사용되는 최대 전압
6.7. 기타
- 전기가오리 - 220V
- USB킬러 - 220V
- 전기뱀장어 - 850V
- 도어락 전기충격내성시험 - 30,000V
- 테이저건 - 50,000V
- 전자충격기 허가필요전압 - 60,000V
- 낙뢰 - 1,000,000,000V
7. 유체 역학에서의 전압(Total Pressure)
유체역학에서는 정압(Static Pressure)과 동압(Dynamic Pressure)의 합을 전압(Total Pressure)로 정의한다. 전압은 유체가 가지는 퍼텐셜 에너지(Potential Energy)를 의미하며 유체가 할 수 있는 일의 총합을 의미한다. 전압은 특히 천음속 및 초음속 유동을 해석할 때 아주 중요한 요소로 작용하는데 전압의 보존 원칙을 활용하여 공기의 초음속 경계조건(Boundary Condition)을 이용하여 충격파 전/후의 압력, 온도, 밀도 등을 계산할 때에 중요한 요소로 사용된다.
8. 관련 문서
[1] 양전하는 즉 양공을 말하는 것으로 전자가 이동하며 남는 자리를 말한다. 이는 전류의 방향과 같다.[2] 두산백과 참조[3] 이름이 전혀 의미와 매칭이 되지 않는 경우이다. 실제로도 한국어 번역이 원문의 의미와 상당히 벌어지는 사례는 많이 존재한다.[4] 상당히 위험한 행동이기 때문에 가급적이면 안 하는 게 좋다. 특히 전류를 왕창 퍼먹는 고 RPM 장비로 이런 일을 하면 100% 화재가 발생한다.[5] 정확히 말하면 절대적으로 0V인 것이 아니라 일상적으로, 직관적으로, 그리고 과학(과 공학)하는 사람들이 0V로 약속한 것이다. 전압은 절대적인 전압은 존재하지도 않고, 중요하지 않다.[6] 예를 들면 증폭회로 같이 직류 음전압을 쓰는 회로. 이 경우 음 별도의 접지를 별도로 만들어줘야된다. 이를 역이용해서 전원 2개를 같이 연결해서 한쪽을 음전압 출력, 양전압 출력으로 써먹을 수 있다.[7] 전압이 떨어지는게 아니다. 쇼트가 난 상황에서 전압계를 찍어봤을 때 전압이 떨어지거나 전원공급장치의 출력 전압이 떨어지는걸 보고 전압이 0에 가깝게 떨어진다느니 뭐니로 희한하게 이해하는 경우가 있는데 전자는 회로가 도선으로 변해버려서 걸리는 전압이 낮아졌기 때문이고 후자는 장비의 전류제한 보호동작이다. 전류 = 전압 / 저항임을 기억하자. 저항이 급격히 떨어지더라도 전압이 같이 떨어져주면 전류는 증가하지 않는다.[8] 실제로 무한대는 아니다. 초전도체가 아닌 이상 도선은 어느 정도의 저항을 가지고 있기 때문. 심지어 초전도체도 일정 한계 이상의 전류가 흐르면 초전도 상태가 풀리므로 무한대의 전류가 흐르지는 못한다.[9] 사실 현재도 DC를 있는 그대로 변압하기는 무척 어렵다. 전력 소자가 발전하여 DC 전원을 변압할 수 있게 된 이유는, 사실 DC를 AC로 바꾸기가 수월해졌기 때문이다. (...) 즉, DC 자체를 변압하는게 아니라 일단 AC로 바꿔서 변압후 다시 DC로 정류하는 것. 그래서 현재로써는 강압은 몰라도 승압의 경우 무조건 전력 소자를 이용해 어떤 식으로든 DC를 AC로 바꿔서 변압 후 다시 DC로 변환한다.[10] 이로 인해 직류 송전(HVDC)에서도 다른 DC 전압으로 변환하지 않고 바로 AC로 변환한다. 그러나 다중 터미널 HVDC에서 전력이 흐르는 방향을 조절하거나 전압이 다른 두 HVDC 시스템을 연계하기 위한 초고압용 DC-DC 변환기가 연구 단계에 있다.[11] 당연히 DC나 AC나 송전 손실을 줄이기 위해 초고압 송전을 하므로 수용가 근처에선 다시 전압을 낮추어야 하는데 전국의 수용가들에게 이를 공급하기 위해 어마어마한 숫자의 변압 시설이 필요하므로 경제성과 신뢰성이 매우 중요하다. 그러나 이런 부분이 AC가 DC보다 수월하기 때문에 AC가 쓰이는 것이다.[12] 전압이 220V이어도 전구를 2개 직렬 연결해 쓰면 각각에 110V씩 걸리므로 문제 없이 쓸 수 있다.[13] 한 전선은 +220V, 또 다른 전선은 +110V, 마지막 전선은 0V로 하면 된다.[14] 변압기에서 전압은 코일의 감은 수에 비례하는데, 양 끝단과 별도로 정 가운데에서 중성선을 뽑아낸다. 양 끝단에서 뽑아낸 전선 2가닥을 쓰면 220V, 한쪽 끝단과 중성선을 쓰면 110V가 된다.[15] 인체 저항을 5000옴으로 쳤을때 220V는 0.044(A), 110V는 0.022(A). 절반 정도의 차이다. 여기에 신체에 흐르는 전력을 계산한다면 차이가 더 커지는데, P=V^2/R 이므로 220^2/5000=9.68(W), 110^2/5000=2.42(W). 대략 1/4 정도의 차이가 난다. [16] 그러나 그렇다고 110V는 손으로 만져도 안죽어 같은 바보같은 생각은 절대 하지말자. 110V도 엄연히 신체에 위험한 전압이고, 이게 표준인 미국, 캐나다에서도 감전사 사고는 꾸준하게 일어난다.[17] 120으로 통일되었고 117은 일부 앰프류나 20년이 넘은 제품이다.[18] 그래서 과거의 일본 가전 제품은 50/60Hz 전환 스위치가 달려있었다. 요즘은 대부분 자동으로 전환되어 그런 스위치는 찾아보기 힘들어졌다.[19] 한국에서 220V를 처음 도입한 1970년대에는 일본의 200V 단자나 미국의 NEMA 6-15 규격과 유사한( ─ . ─ 형상) 플러그가 사용되었으나, 1982년 이후 현재의 독일식 규격의 플러그로 바뀌었다.[20] 선풍기를 예로 들면, 80년대에 생산된 110V/220V 겸용 선풍기들은 모터 커버를 열고 110V에 꽂힌 커넥터를 220V로 꽂아서 전압을 바꿔야 했다. 90년대에 들어 프리볼트 제품이 나오기 시작했다.[21] 그리고, 지역마다 사용하는 주파수까지 다르다. 독일의 영향을 받은 관동 지역은 50Hz, 미국의 영향을 받은 관서 지역은 60Hz로 나누어져 있다.[22] 일본의 전압 주파수 구분은 시즈오카현과 야마나시현 사이를 흐르는 후지강을 기준으로 한다. 그래서 니가타, 도야마, 나가노, 시즈오카 현 등 주부지방 일부분은 50Hz, 60Hz 전력 모두가 공급된다.[그리고] 미국을 따라가면서 240공급지역도 "따로" 있다고 해외가전기구 수입이 특화된 구매대행사의 전원규격리스트에 나온다 뭐... 앰프나 밥솥, 냉장고만 아니면 된다 [23] 특고압이라 하며 주로 수용가에 전력을 공급하는 배전선에 사용된다. 이외에도 154,000V, 345,000V, 765,000V 등을 초고압 으로 분류해 중장거리 송전용으로 사용한다.[24] 아파트에는 3상 4선식 380V 전기가 들어오기는 한다. 엘리베이터를 구동해야 하기 때문이다.[25] 집 주위에 흔히 있는 전주 위에 가설되어 있는 전선에는 22,900V의 전기가 흐르고 있다.[26] 그렇지만 회로가 3상 220V와 매우 유사하여 220V 용 부품을 380V 에 쓰는 경우도 있어 각별한 주의 요망.[27] 전기로 라고 해서 금속을 녹이는 데 쓰는 용광로가 있는데, 인덕션식도 구동전압이 100V 가 안 되고 아크식이 370~380V 정도 된다. 불꽃이 엄청나게 튀어서 고전압이라고 생각된다면 꿈 깨시길. 200kA 이상의 대전류가 만드는 줄열이다. P=I^2*R 에 따라 전류 제곱에 비례한 열이 난다.[28] 뿐만 아니라, 가정집이라면 전기요금 체계도 당연히 가정용 요금체계를 따르는 수 밖에 없다는 단점도 있다.[29] 집 밖에서 가전제품이나 산업용 전기제품을 사용하려면 220V나 380V짜리가 나오는 발전기를 어쩔 수 없이 써야 된다.[30] 소형 자동차용 전기제품과 똑같지만 작동 전압만 다른 것 포함.[31] 전압이 다름에도 불구하고 12V 차량과 24V 차량은 같은 형태의 플러그(시가잭)를 사용하므로 12-24V 겸용 제품이 아니라면 사용 전 차량의 전압을 확인해야 한다.[32] 트랜지스터-트랜지스터 논리회로. 7400 시리즈가 대표적이다. [33] 주로 LCD의 백라이트로 사용된다.[34] 전기가 통해도 위해가 가지 않는 수준의 전압을 법으로 정한 것이며, 각 나라마다 다소 차이가 있다. 발바닥 온열 슬리퍼 등을 만들 때 고려할 사항이다.[A] A B 대한민국 내 가정용으로 사용하는 220V는 한전에다가 특별히 산업현장에서만 쓰이는 전압이 필요하다고 요청하지 않는 이상은 무조건 단상 2선식 혹은 110V 전압이 필요한 제품도 병용시에는 단상 3선식이 인입되며, 3상 3선식 220V는 3상 4선식 380V 처럼 산업용 전기를 사용하는 곳에만 들어간다. 이러한 산업현장에서만 쓰이는 3상 220/380V 전압을 일반 건축물에서도 사용할 수가 있게끔 인입하는 경우가 있는데 이는 이미 서술했듯이 엘리베이터를 작동시키기 위한 권상기 모터를 구동하기 위해 들어가는 거다.[B] A B 주파수는 50Hz를 사용한다. 이들 국가로 이민, 여행가거나 업무상 출장 갈 일이 생긴다면 들고가야 할 전자기기가 프리볼트 지원여부와 허용 주파수 범위를 미리 확인해 둘 것.[35] 바닥 등 지면 가까운 곳에 전기가 흘러 전압이 낮은 편이다.[36] 전선이 높은 곳에 있지만 터널 천장(=지표면 최근접 지점)과 거리가 짧아 안전상 전압이 그리 높지 않고, 단거리 노선이라 송전효율이 다소 낮아도 큰 문제가 안 된다.[37] 외국의 경우 간선철도 표준전압인 경우도 있으며, 일부 제3궤조 방식 노선에서 이 전압을 채택하기도 한다.[38] 장거리, 고효율, 고출력을 위한 고전압. 안전상 터널도 크게 짓는 경향이 있다.