발전의 원리 및 전기의 수송
전기에너지는 기계적 에너지에 의하여 만들어지는 이차에너지이다. 전기에너지는 편리하게 사용할 수 있으므로 일상생활에서 전기제품들이 많이 이용되고 있다. 가정용전기제품(가전제품)의 예를 들면 라디오, 텔레비전, 오디오 및 비디오 제품, 전열기, 형광등, 세탁기, 식기세척기, 냉장고 등이 있으며 많이 애용되고 있다. 또한 산업체에서도 전동기, 컴퓨터, 에어컨 등이 사용되어 일의 능률을 올리는데 일익을 담당하고 있는 중이다.
발전의 원리
영구자석의 N극과 S극에 의한 자기장에서 전기코일(전선)을 회전시키면 코일에는 유도기전력(전기를 일으키는 에너지, 즉 전기)이 발생된다. 세기가 B인 자기장에서 길이가 L인 전선을 힘 F로 회전시칠 때 발생하는 전류 I는 다음 식으로 표시된다.
I = BL/F(2. 1)
또한 전선이 힘의 방향으로 V의 속도로 움직이면 전류의 반대방향으로 세기가 E인 전기장이 생성된다.
E = VB(2. 2)
전기에너지와 기계적 에너지의 손실이 없는 이상적인 경우에 나올 수 있는 전력은 IEL이다. 이 원리를 이용하여 거대한 발전기를 만들고 여러 가지 에너지로 터빈을 돌리고 여기에 발전기를 결합하여 전기를 생산하고 있다.
우리나라의 발전기는 주파수 60HZ 회전속도는 보통 분당 3600회전으로 운전하며 발전소에서 나온 전기는 345,000볼트(345kV)로 승압하여 변전소에 보내지고 변전소는 이것을 다시 가정에서 쓸 수 있도록 전압을 내려서 220V/380V(동력)로 유지한다. 발전에너지의 종류에 따라 수력발전/화력발전/원자력발전/내연발전/LNG발전/풍력발전/지열발전 등으로 나누어지며 터빈을 회전하여 생성된 운동에너지를 전기에너지로 변환한다는 기본 원리는 동일하다.
자기에너지
물체의 자기적 성질은 짝지워지지않은 전자(unpaired electron)의 수와 물체의 결정구조 등의 영향을 받으며 네 가지로 나누어진다. 상자기성 물체는 짝지워지지않은 전자는 존재하지만 상호작용이 없으므로 외부자기장이 존재할 경우에만 자기적 성질을 가지며 상자성(paramagnetism)은 절대온도에 반비례한다(Curie's law). 강한 양의 상호작용이 있는 물질은 강자성(ferromagnetism)을 가지며 강한 음의 상호작용을 가진 경우에는 반강자성(antiferromagnetism)을 가진다. 강자성과 반강자성은 외부자기장의 존재에 관계없이 행동하지만 물체를 고온으로 가열하면 이러한 성질을 잃게 된다. 짝지워지지않은 전자를 가지지 않는 물체는 반자기성(diamagnetism)을 가진다.
자기에너지를 응용하는 한 예를 들면 극저온을 얻을 수 있는 단열소자법이 있다. 이 방법은 1926년경 P. 디바이와 W. F. 지오크가 고안한 것으로, 1K 이하의 극저온을 실현시키는 유일한 방법으로 이용되고 있다. 낮은 온도에서 상자기성물체에 강한 자기장을 걸고, 단열된 상태에서 갑자기 자기장을 제거하면, 상자기성물체의 온도가 급격히 떨어지면서 극저온을 얻게 된다. 이 방법은 이상기체가 단열팽창에 의하여 냉각되는 현상과 비슷한 것으로, 상자성이 온도에 거의 반비례한다는 열역학적 사실로부터 도입되었다. 퀴리의 법칙에 따르는 물질이라면 단열소자를 통해 절대영도에 도달할 수 있지만, 실제로 그러한 이상적인 물질은 존재하지 않는다.
현재 단열소자로 실현 가능한 도달온도는 1E-3K이지만, 핵자기 상자성을 사용하면 10-5K까지도 가능하다. 단열소자로 이용하는 상자성체는 보통 철족이온, 희토류이온을 함유하는 특수한 염, 이를테면 크롬칼륨백반 등으로, 이것은 액체공기 또는 액체헬륨으로 싸여있는 특수한 보온병 속에 넣어서 사용한다.