기술 시스템

백열등은 유리구 안에 필라멘트를 집어넣은 조명 장치로, 필라멘트에 전기를 공급하면 필라멘트가 높은 온도로 뜨거워지면서 빛을 낸다. 실험실에서 작동하는 백열등은 19세기 초부터 여러 차례 발명되었으나, 어느 가정에서나 저렴하게 사용할 수 있는 백열등을 개발한 것은 에디슨이 처음이었다.

에디슨은 하나의 발전소에서 공급되는 전기를 이용해 발전소 인근 2km 이내의 가정에 있는 1만여 개의 백열등을 동시에 밝히는 중앙식 전기 조명 시스템을 건설하고자 했다. 가정마다 발전기를 설치하는 방식으로는 기존의 가스등 시스템보다 저렴한 전기 조명 시스템을 만드는 것이 불가능했기 때문이다. 중앙식 전기 조명 시스템에서는 발전소와 가정을 잇는 긴 전선이 필요했다. 발전소와 백열등 1개와 전선으로 이루어진 간단한 회로를 가정할 경우, 발전소에서 생산된 전기 에너지는 전선과 백열등에 ‘전선의 저항:백열등의 저항’의 비율로 분배됐으며, 전선과 백열등에서 소비되는 에너지의 합은 발전소에서 생산된 에너지와 같았다. 전선의 저항은 전선의 길이에 비례하고 그 굵기에 반비례하기 때문에, 긴 전선이 필요한 중앙식 전기 조명 시스템은 전선에서 소비되는 많은 에너지로 인해 백열등이 적절한 에너지를 소비하지 못해 빛을 내지 못할 위험이 있었다. 그렇다고 전선의 에너지 소비를 줄이기 위해 전선의 굵기를 늘리면 전선의 제작 비용이 증가하여 전기 조명 시스템의 경제성을 위협했다.

에디슨이 선택한 방법은 전선에 비해 매우 높은 저항을 가진 필라멘트를 개발하는 것이었다. 그는 100Ω 이상의 높은 저항을 가진 필라멘트의 개발을 목표로 삼았으며, 약 1년 동안의 시행착오 끝에 100Ω에 근접한 저항을 가지면서 긴 수명을 가진 필라멘트를 찾아냈다. 실험 결과 이 필라멘트가 적절한 밝기의 빛을 내기 위해서는 100V의 전압이 공급되어야 했다. 에디슨은 각각의 백열등이 독립적으로 작동하도록 모든 백열등을 병렬로 배전할 계획이었기 때문에, 발전소의 발전기 규격은 하나의 백열등에 공급되어야 하는 전압과 동일한 100V로 결정됐다. 현재 많은 국가에서 사용되고 있는 가정용 전압인 100V는 바로 여기서 유래한 것이었다.

위의 계획에 따라 에디슨은 1882년 세계 최초의 중앙식 발전소를 뉴욕 도심에 설치하여 월가의 백열등을 밝히기 시작했으며, 몇 년 뒤 미국 전역의 도시에는 120개가 넘는 에디슨식 발전소가 건립되어 수많은 백열등을 밝히게 되었다. 에디슨의 중앙식 전기 조명 시스템은 큰 성공을 거두었지만, 100V ‘직류’ 발전을 이용한 그의 시스템은 송전 거리를 2km 이상으로 늘리기 어렵다는 단점이 있었다. 송전 거리를 더 늘리려면 송전선의 에너지 소비를 더 줄여야 했지만, 에디슨의 시스템에서는 그것을 더 이상 줄일 수 있는 ㉰여력이 없었다. 이 때문에 에디슨의 시스템은 인구가 분산된 지역에서는 경제성이 떨어졌으며, 나이아가라 폭포와 같은 도시 외곽의 에너지원도 활용할 수 없었다.

발명가 웨스팅하우스는 ‘교류’ 시스템을 통해 송전 거리를 파격적으로 확대할 수 있다고 제안했다. 이는 교류 전기가 직류와 달리 변압기를 통해 전압과 전류의 크기를 변화시킬 수 있다는 점에 착안한 것이었다. 그의 계획에 따르면, 발전소에서 대규모로 생산된 교류 전기는 고전압으로 승압되어 긴 송전선을 따라 도시까지 송전되며, 송전선이 도시에 다다르면 몇 차례의 감압 과정을 거쳐 최종적으로는 도시 전체의 에디슨식 가정용 백열등을 켜게 된다. 변압 과정에서 전압과 전류의 곱은 보존되기 때문에 고전압 송전선에는 아주 작은 전류만 흐르게 된다. 전선에서 소비되는 에너지는 [전류²×저항]에 비례하기 때문에, 고전압 송전을 통해 송전선의 전류를 줄이는 이 방법은 긴 송전선의 에너지 소비를 절감하고 송전 거리를 늘리는 획기적인 방법이 되었다.[전압은 전류X저항인데, 고전압 송전선에서 전류도 작고 저항도 작은데 어떻게 고전압이 되나요?]

웨스팅하우스의 교류 시스템이 성장하자 에디슨의 직류 시스템은 경쟁력을 잃게 되었고, 전력 시스템은 점차 표준화된 교류 시스템으로 통합되었다. 전력 시스템이 표준화되자 백열등 외에도 다양한 가전제품의 생산이 활성화되었다. 백열등을 위해 표준적인 전기를 공급받기 시작한 수많은 가정이 다른 가전제품도 손쉽게 사용할 수 있게 되었기 때문이다. 또한 다양한 가전제품의 생산과 사용은 전력에 대한 수요를 끊임없이 증가시키며 전력 산업을 성장시켰다.

퀴즈

A. 윗글을 읽은 학생의 반응으로 적절하지 않은 것은?

전력 시스템의 표준화는 가전제품 산업을 성장시켰겠군.
에디슨의 발전소는 주로 인구가 밀집된 도심에 설치되었겠군.
에디슨은 가스등 시스템보다 저렴한 전기 조명 시스템을 만들고 싶어했겠군.
에디슨의 발전소가 가정에 공급한 전기의 주된 용도는 백열등을 켜는 것이었겠군.
에디슨은 실험실에서 작동하는 백열등이라면 중앙식 전기 조명 시스템에서도 잘 작동할 것이라고 판단했겠군.

B. 에디슨이 전선에 비해 매우 높은 저항을 가진 필라멘트를 개발하기로 선택한 이유로 가장 적절한 것은?

전선에 비해 백열등이 소비하는 에너지를 줄이기 위해
백열등의 밝기를 증가시키면서도 전선의 저항을 줄이기 위해
전선의 저항을 줄이면서도 전선의 제작 비용을 절약하기 위해
백열등의 제작 비용을 절약하면서도 백열등의 수명을 증가시키기 위해
전선의 제작 비용을 절약하면서도 백열등이 소비하는 에너지를 증가시키기 위해

C. 윗글을 바탕으로 할 때, <보기>의 빈칸에 들어갈 말로 가장 적절한 문장은?

기술 시스템이란 여러 기술적 구성 요소가 유기적으로 결합된 시스템을 말한다. 이 기술 시스템을 이루는 각각의 구성 요소들의 특성은 개별적으로 결정될 수 없다. 왜냐하면 각 구성 요소가 갖추어야 할 특성의 적절성 여부는 시스템 전체의 목표와 나머지 구성 요소들의 특성에 의존하여 결정되기 때문이다. 그 예로 에디슨의 전기 조명 시스템에서는 _________________.

각각의 백열등이 서로 독립적으로 작동할 수 있었다.
당대 최고의 성능을 갖춘 백열등과 발전기가 사용되었다.
하나의 발전소가 수많은 백열등을 동시에 밝힐 수 있었다.
긴 전선이 필요했기 때문에 모든 백열등을 병렬로 배전하였다.
백열등의 필라멘트와 배전 방식에 따라 발전기의 규격이 결정되었다.

D. 웨스팅하우스의 교류 시스템(a)과 에디슨의 직류 시스템(b)에 대한 이해로 적절하지 않은 것은?

ⓐ는 도시 외곽의 에너지원을 활용할 수 있었을 것이다.
ⓐ는 ⓑ에서 사용하던 백열등을 사용하지 못했을 것이다.
ⓐ는 ⓑ에 비해 장거리 송전 과정의 에너지 소비가 적었을 것이다.
ⓐ와 달리 ⓑ는 전압과 전류의 크기를 변화시킬 수 없었을 것이다.
도시 전체에 전력을 공급하려면 ⓑ는 ⓐ보다 많은 발전소를 필요로 했을 것이다.

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