조명과 전기

현대의 무대조명은 거의 모든 경우 전기 에너지를 사용하여 빛을 비추고 조작하고 있다. 조명 전문가는 전기의 기본 지식을 잘 이해하여 전기적으로 안전한 조명 작업을 할 수 있도록 하여야 한다. 전기의 기본적인 측정 요소인 전류, 전압, 저항, 전력의 상호 관계를 잘 이해하고 정확한 규격의 전기 배선 재료를 합리적으로 적용하는 것은 안전한 조명 작업의 필수 조건이다. 근래 조명 기구의 많은 발전으로 램프 정도의 단순한 전기 부하 사용에 더하여 컬러 스크롤러, 무빙라이트 등 다양하고 복잡한 전기 장치로 제작된 조명 장비의 사용이 많아지고 있으므로, 보다 효율적인 조명 작업을 위하여 조명 전문인도 전기의 기본 지식에 더하여 심화한 전기 지식을 익힐 필요가 있다.

 

전기 개념

 

전기 단위의 관계를 이해하고 적용하기 위해서 물탱크에서 파이프를 통해 물이 흐르는 것과 비교해 보는 것이 도움이 된다. 물이 호스를 통해서 물탱크에서 흘러나올 때, 호스의 굵기나 수압은 주어진 시간 동안 얼마만큼의 물이 흘러나올지를 결정짓는다. 흐르는 물의 양을 리터 단위로 측정하는 것처럼 전기에서는 전지나 발전기에서 나오는 전기 흐름의 비율을 쿨롱*의 단위로 측정한다. 물이 파이프를 통해 흐를 수 있도록 힘을 가해주는 펌프처럼 전기에서 전자가 이동할 수 있도록 하는 힘을 주는 것을 전압이라고 부른다. 전기 회로에서 사용되는 가장 일반적인 힘에는 화학 전지와 전기를 직접 생산하는 발전기가 있다. 이 장치들은 전기 회로를 통해서 전자들이 이동하는 데 필요한 힘을 준다. 전자들은 음(－)전하*로 대전 되어 있기 때문에, 그들은 양(＋) 전하에 의해 끌어당겨지고 음(－) 전하에 의해서는 반대로 떠밀리게 된다. 만약에 두 개의 대전된 물체가 전선과 같은 도체로 연결되어 있다면 전자는 음(－) 전하를 띠는 물체에서 양(＋) 전하의 물체로 흐를 것이다. 이런 전자의 흐름을 전류라고 한다. 따라서 전선에 전류를 연속적으로 흐르게 하기 위해서는 전압이 반드시 지속해서 공급되어야만 한다. 전자들은 회로를 통하여 이동할 때는 소모되지 않는다. 그러므로 전원의 (＋) 단자로 되돌아오는 전자의 수는 전원의 (－) 단자를 떠나는 전자의 수와 같다. 물이 진흙이나 모래로 일부가 채워진 파이프 구간을 통과할 때 물의 흐름(전류)이 어려운 것처럼 전류의 흐름을 어렵게 하는 것을 저항이라고 한다.

 

 

ㆍ전기 회로(electrical network)

 

전기 회로는 도체(conductor)와 전기 부품들의 조합인 부하(load)로 구성된 전류가 흐르는 통로다. 전기 회로는 전기 에너지를 이용하는 기계 시스템에서 전자 에너지를 다른 형태의 에너지(열, 빛, 자기)로 변화시키는 수단으로 사용된다.

전기 회로 내의 도체들은 전자들이 회로를 통해 쉽게 이동할 수 있는 경로를 제공한다. 금속은 좋은 도체 성질을 갖고 있다. 우수한 도체로는 은, 구리, 알루미늄 등이 있다. 구리가 가장 일반적으로 사용되는 재료로서 전선이나 버스 바* 등의 모양으로 사용된다. 구리 선은 나선으로 사용하거나 여러 종류의 절연 물질로 피복하여 사용한다. 절연 물질은 도체가 서로 접촉하거나 다른 물질과 접촉하는 것을 방지하는 데 사용된다. 가스의 경우에도 어떤 것은 특별한 조건에서 도체로 이용되기도 한다. 예를 들면 네온가스, 아르곤가스, 수은가스, 나트륨가스 등을 램프에 사용하는 경우가 있다. 전기 회로에서 부하는 전자 에너지를 다른 에너지 형태로 변환시키는 유용한 부품이다. 조명기의 램프는 전자들이 램프의 필라멘트를 통하여 움직일 때 전자들의 에너지를 램프 속에서 열에너지와 빛에너지로 변화시키는 가장 일반적인 부하다. 이러한 부하들은 직렬, 병렬, 또는 직ㆍ병렬의 조합으로 전기 회로를 통하여 전력을 공급해 주는 배전 선로를 통하여 전력 계통으로 연결된다. 

 

 

ㆍ제어 장치(control unit)

 

건물 벽의 전등 스위치는 가장 간단한 제어 장치다. 이 스위치는 회로를 여닫는 역할을 한다. 스위치가 온(on) 상태에 있으면 전자가 회로를 통하여 움직일 수 있도록 도체로서 동작한다. 이때 회로는 닫혀 있다고 말한다. 이 상태에서 회로는 폐회로가 된다. 스위치가 오프(off) 상태이면 회로의 경로는 끊어진다. 즉, 전자들이 더 이상 회로를 통하여 움직일 수 없다. 이때 그 회로는 열려있다고 말한다. 그것은 개회로가 된다. 이처럼 회로 내 전자들의 흐름을 제어하거나 스위칭 동작을 할 수 있는 것들로는 계전기*, 다이오드, 트랜지스터, 전력 소자* 등이 있다.

 

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*쿨롱(coulomb, C) : 전하량의 단위, 1쿨롱은 1암페어의 전류가 1초 동안 운반하는 전하량이다. 프랑스의 물리학자 쿨롱이 1785년에 고안한 쿨롱의 법칙은 대전된 두 전하 또는 두 자극 사이에 작용하는 전기력은 두 전하량 또는 두 자극의 세기의 곱에 비례하고, 둘 사이 거리의 제곱에 반비례한다는 전기력에 관한 법칙이다.

*전하 : 물체가 띠고 있는 정전기의 양. 같은 부호의 전하 사이에는 미는 힘이, 다른 부호의 전하 사이에는 끄는 힘이 작용한다. 한 점에 집중된 것을 점전하라고 하며 이것이 이동하는 현상이 전류다.

*버스 바(bus-bar) : 낮은 임피던스와 높은 전류 용량을 갖는 도체로, 2개 이상의 회로를 개별적으로 연결할 수 있거나 한 시스템 내의 여러 지점을 연결하여 전원을 분배하는 공통 도체로 많이 사용된다. 버스선이라고도 한다. 버스 바라는 이름은 자기 애자로 지지가 되는 금속판(단면이 사각형인 도체)에 처음 사용되었다. 주로 분전함 내부에 연결되는 부위에 많이 설치하며 닥트 속에 버스 바를 넣어서 설치하는 버스 닥트도 있다. 대전류를 이동시킬 때 많이 사용함.

*계전기 : 코일이 감긴 철심에 전류를 흘리면 철심이 전자석이 되는 원리를 이용한 것으로 대부분의 가전제품, 통신 기기에 적용되는 부품이다. 일반적으로 전기 회로를 개폐하는 조작을 다른 전기 회로의 전기적인 변화에 의하여 동작하여 전기 기기의 구동과 신호 전달 기능을 한다.

*전력 소자 : 전력용 반도체소자의 줄임말이다. SCR(silicon controlled rectifier), 트라이액(triac), SSR(solid state relay) 등이 있고 직류 송전, 전동기의 속도 제어, 동력 장치, 유도 가열장치, 무정전 전원장치(UPS) 등에 사용된다.