역기전력

역기전력이란 전기회로에서 어떤 전압이 걸릴 때 그 반대 방향으로 생기는 기전력을 뜻한다.

교류전류가 흐르는 회로에 인덕터가 있는 경우, 전압을 거는 순간 갑자기 전류가 흐르기 시작하고, 패러데이 전자기유도 법칙(Faraday's law of electromagnetic induction)에 따라 전류의 변화를 상쇄하기 위한 자기장이 인덕터 내부에 발생한다. 발생한 자기장에 의해 애초의 전류 변화 크기에 비례하고 방향은 반대인 전압이 인덕터에 걸리며, 이를 역기전력이라고 한다.

역기전력이라는 용어가 가장 많이 사용되는 분야는 전동기(모터)와 발전기, 변압기 분야이다. 전동기와 발전기는 장치 구성 원리는 동일하지만, 전동기에서는 전기에너지가 공급되어 운동에너지로 바뀌는 장치이고, 발전기에서는 운동에너지가 공급되어 전기에너지로 바뀌는 장치이다. 그림 1과 같이 전동기 내부는 영구자석과 코일로 이루어져 있는데, 외부 전원으로부터 전동기 내부의 코일에 전류가 공급되면 영구자석에서 발생하는 자기장에 의해 코일은 돌림힘(토크)를 받아 회전하게 된다. 동시에 자기장 내에서 회전하는 코일에는 회전으로 인한 유도기전력이 생기는데, 이 유도기전력은 코일에 흐르는 전류를 감소시키는 방향이다. 이를 렌츠의 법칙이라고 하며, 이 때 발생하는 기전력이 역기전력이다. 역기전력의 크기는 자기선속의 변화율에 비례하므로, 코일의 회전 속도가 커질수록 커진다. 전동기에 흐르는 전류의 크기는 외부에서 공급되는 전압과 역기전력의 차이로 결정된다. 예를 들어 전동기에 흐르던 전류가 갑자기 끊기면, 흐르던 전류를 유지하기 위한 자기장이 코일 내부에 발생한다. 이로 인해 코일 내부에 전동기의 기존 회전운동을 유지하려는 방향으로 전압이 걸린다. 이것이 역기전력의 한 예이다.

그림 1. 전동기

변압기는 전압을 바꾸어주는 장치이며, 그림 2에 그 얼개가 나와있다. 철심에 1차 코일과 2차 코일이 감겨 있고, 1차 코일에 전류를 흘리면 1차 코일이 감고 있는 철심에 자기장이 발생하고, 이 자기장은 2차 코일이 감고 있는 철심을 지나가게 된다. 이 때 2차 코일이 감고 있는 부분의 철심에 1차 코일에 의한 자기장의 변화를 상쇄하려는 방향으로 새로운 자기장이 발생하고 이 자기장에 의해 2차 코일에 기전력이 발생하고 전류가 흐르는데, 이 또한 역기전력의 한 예이다. 이 때 역기전력에 의해 발생하는 전류는 잠시 후에 사라지게 된다. 즉, 역기전력은 자기장의 변화가 있어야만 발생한다. 따라서 2차 코일에 전류가 계속 흐르게 하기 위해서는 그 속에 지나는 자기선속이 계속 변해야 하며, 이는 1차 코일에 교류가 흘러야 함을 뜻한다. 이 때 1차 코일에 걸리는 전압의 크기를 @@NAMATH_INLINE@@V_1@@NAMATH_INLINE@@, 코일 감은 수를 @@NAMATH_INLINE@@n_1@@NAMATH_INLINE@@이라 하고, 2차 코일에 걸리는 전압의 크기를 @@NAMATH_INLINE@@V_2@@NAMATH_INLINE@@, 코일 감은 수를 @@NAMATH_INLINE@@n_2@@NAMATH_INLINE@@라고 하면, @@NAMATH_INLINE@@V_1/V_2 = n_1/n_2@@NAMATH_INLINE@@인 관계식으로 전압을 바꾸어주게 된다.

그림 2. 변압기

전기분해의 경우 용액 안에서 양이온은 음극으로, 음이온은 양극으로 끌려가고 나면 용액 안에 밖에서 가한 전압과 반대 방향의 기전력이 생기는데, 이 현상을 역기전력이라고 부르는 경우도 있다.