전기 안전

몸에 10~20 mA 정도만 흘러도 손이 전선을 놓지 못할 수 있고, 물에 젖은 사람의 저항은 10 kΩ밖에 되지 않을 수 있습니다.

두 가지 위험: 열과 감전

전기는 두 가지 방식으로 사람에게 해를 끼칠 수 있습니다. 첫째는 열 위험(thermal hazard)입니다. 너무 큰 전력이 열로 바뀌어서는 안 되는 곳에서 열로 바뀌는 것입니다. 예를 들어 벽 속에서 그런 일이 생기면 거기서 불이 날 수 있습니다. 둘째는 감전 위험(shock hazard)입니다. 전류가 사람의 몸을 지나가는 것입니다. 이 두 가지는 모두 이 과정에서 배운 식 P = V² ÷ R과 I = V ÷ R에서 곧장 나옵니다. 그러니 여러분은 위험이 어디에 있는지 알아볼 만큼은 이미 알고 있습니다.

단락(쇼트)

단락(short circuit)은 전원의 두 쪽 사이에 저항이 아주 작은 길이 생긴 것입니다. 예를 들어 가전제품 전선의 피복이 닳아서 안쪽의 두 가닥이 서로 맞닿으면 단락이 생깁니다. 단락된 길의 저항 r은 아주 작기 때문에, 전력 P = V² ÷ r은 엄청나게 커집니다. OpenStax는 저항이 0.100 Ω인 단락에 120 V가 걸린 경우를 예로 들어 계산합니다. 120² ÷ 0.100 = 144,000 W, 즉 144 kW로 어느 가전제품보다도 훨씬 큽니다. 열이 너무 빠르게 쏟아져 나오기 때문에 피복이 녹거나 불이 붙습니다. 실험실의 전지는 이상적인 전지입니다. 그래서 실험실에서 단락이 생기면 전류가 한없이 커지고, 실험실은 이것을 빨간색으로 표시해 알려 줍니다. 실제 전지에는 전지 안쪽에 내부 저항이 조금 있어서 전류가 어느 정도로 제한됩니다. 그래도 실제 전지 역시 금방 뜨거워집니다.

과부하, 퓨즈, 차단기

이보다 조용하게 다가오는 위험은 과부하(overload)입니다. 전선에 너무 큰 전류가 너무 오랫동안 흐르는 것입니다. 이때 전선 자체에서 생기는 열은 P = I² R_w입니다. 예를 들어 가닥 일부가 끊어져 손상된 전선은 0.100 Ω이어야 할 저항이 2.00 Ω일 수 있습니다. 여기에 10.0 A가 흐르면 전선 안에서 200 W가 열로 바뀝니다. 병렬 회로 단원에서 본 것을 떠올려 보세요. 가전제품을 하나 켤 때마다 그 제품의 전류가 공급 전선의 전류에 더해집니다. 그래서 멀티탭 하나에 전력이 큰 제품을 여러 개 한꺼번에 꽂으면, 제품 하나하나는 괜찮아도 멀티탭은 과부하가 될 수 있습니다.

퓨즈와 차단기는 이 두 가지 문제를 모두 막아 줍니다. 퓨즈와 차단기는 회로와 직렬로 연결되어 있어서, 그 회로의 전류가 모두 그곳을 지나갑니다. 퓨즈 안에는 녹는점이 낮은 금속 조각이 들어 있습니다. 전류가 너무 크면 이 조각이 녹아서 회로를 영영 끊어 버리므로, 퓨즈는 새것으로 갈아 끼워야 합니다. 차단기는 전류가 한계보다 큰 상태로 계속되면 저절로 열리는 자동 스위치이고, 다시 올려서 쓸 수 있습니다. 어떤 기기는 켜지는 순간 잠깐 동안 큰 전류를 끌어갑니다. 옴의 법칙 단원에서 본 차가운 전조등이 그런 예입니다. 그래서 퓨즈와 차단기는 짧은 순간의 큰 전류는 견디고 계속되는 과부하에서 끊어지도록 만들어집니다.

전류가 몸에 하는 일

감전이 얼마나 심하게 몸을 다치게 하는지는 주로 전류의 크기에 달려 있습니다. 그 밖에 전류가 몸속을 지나가는 경로, 감전이 얼마나 오래 이어지는지, 전원의 주파수도 영향을 줍니다. OpenStax는 60 Hz 가정용 전원에서 1초 동안 몸통을 지나가는 감전이 보통 어떤 영향을 주는지 정리했고, 그 내용이 아래 표에 있습니다. 여성의 경우에는 표에 적힌 값의 약 60~80%에서 같은 영향이 나타납니다. 이 문턱 값들은 생각보다 낮습니다. 손이 저절로 꽉 움켜쥐어져서 그 사람이 전선을 놓지 못하게 되는 전류는 약 10~20 mA부터 시작하고, 심장이 치명적으로 불규칙하게 뛰는 심실세동은 약 100~300 mA부터 생길 수 있습니다.

옴의 법칙을 보면 물이 왜 그토록 중요한지 알 수 있습니다. 우리 몸이 가진 저항은 대부분 마른 피부에 있습니다. OpenStax에 따르면 피부가 마른 사람은 약 200 kΩ이라서 120 V에서 120 ÷ 200,000 = 0.6 mA가 흐르고, 이 정도는 느끼지도 못합니다. 그런데 같은 사람이 흠뻑 젖으면 저항이 10.0 kΩ밖에 되지 않을 수 있고, 같은 120 V에서 12 mA가 흘러 손을 놓지 못하는 지점을 넘습니다. 한국, 유럽 등 여러 곳에서 쓰는 220~230 V라면 같은 두 저항에서 각각 약 1.1 mA, 22 mA가 됩니다. 젖은 손, 욕실, 그리고 물 가까이에 있는 모든 전기 제품이 위험한 이유가 바로 이것입니다.

접지선, 이중 절연, 누전 차단기

요즘의 배선은 보호 장치를 여러 겹으로 더해 둡니다. 3선식 배선에서는 세 번째 선인 접지선이 가전제품의 금속 외함을 땅에 연결해서, 외함의 전압을 0 V 가까이로 붙잡아 둡니다. 만약 닳은 피복 때문에 전압이 걸린 선이 외함에 닿더라도, 전류는 그 제품을 손에 든 사람 대신 접지선을 따라 흘러 내려가고, 보통은 그 때문에 차단기가 내려갑니다. 이중 절연 제품은 접지 대신 보호용 절연 구조를 사용합니다. 플러그 핀의 개수만으로 판단하지 않고 제품의 표시로 구별합니다. 누전 차단기(ground fault interrupter)는 여러 나라에서 잔류 전류 장치(residual current device)라고도 부릅니다. 이 장치는 한 선으로 나가는 전류와 다른 선으로 돌아오는 전류를 비교합니다. 둘의 차이가 정해진 값보다 크면 전류의 일부가 어딘가로, 어쩌면 사람의 몸을 지나 새고 있다는 뜻입니다. 그러면 누전 차단기는 눈 깜짝할 사이에 바로 전원을 끊어 버립니다. 이 정해진 값은 나라마다 다릅니다. 북미의 누전 차단기(GFI)는 표에서 해가 없는 최대 전류인 약 5 mA에서 동작합니다. 한국과 유럽에서 사람을 보호하려고 다는 누전 차단기는 보통 30 mA짜리이고, 한국 전기 설비 규정은 욕실 콘센트에 15 mA짜리를 쓰게 합니다.

• 전기 제품과 콘센트를 물에서 멀리 두고, 손은 먼저 말립니다.
• 멀티탭 하나에 전력이 큰 제품 여러 개를 한꺼번에 쓰지 않습니다.
• 피복이 상한 전선이나 뜨거워지는 플러그는 쓰지 않습니다.
• 퓨즈가 계속 끊어지거나 차단기가 계속 내려가면 문제가 있다는 뜻입니다. 더 큰 퓨즈를 넣지 말고 원인을 찾습니다.
• 전원 배선과 가전제품 내부 수리는 자격을 갖춘 전기 기술자에게 맡깁니다.