인류는 어떻게 보이지 않는 전기의 존재를 알아차리게 되었을까요
어릴 적 책받침을 겨드랑이에 문지르고 머리에 대면 머리카락 하나하나가 책받침에 붙어서 올라가는 현상을 보고 신기해했던 기억이 있습니다
이러한 현상에 대한 호기심은 기원전에도 존재했으며, 당시 사람들에게도 매우 신비로운 일이었습니다
BC 600년 경에 살았던 그리스의 철학자 탈레스는 정전기에 대해 기록을 남겼는데, 그의 글로 그 시대 사람들은 정전기를 어떻게 생각하였는지를 엿볼 수 있습니다
이 시대 그리이스 사람들은 소나무에서 흘러나온 송진이 땅 속에서 수소, 산소, 탄소 등의 원소들과 결합하여 만들어진 호박이라는 보석을 귀하게 여겼는데, 이 보석을 잘 관리하기 위해서 모피나 부드러운 천으로 자주 닦았다고 합니다
그런데 닦으면 닦을수록 먼지가 사라지는 것이 아니라, 오히려 먼지뿐 아니라 가벼운 깃털, 짚, 작은 가루등이 달라붙었습니다
이러한 현상을 사람들은 기이하게 여겼으며, 일부 사람들은 호박에 어떤 영적인 힘이 있어서 물체를 끌어들인다고 생각하기도 했다고 합니다
이렇게 호기심에서 시작한 정전기의 역사는 오늘날 거대한 전기문명을 이루는 시발점이 되었습니다
이 글에서는 정전기에서 시작하여 현대의 무선통신이 되기까지의 과정을 더듬어보겠습니다
정전기 현상에 대한 본격적인 탐구시작과 정전기 발생장치의 출현
사람들은 정전기로 발생하는 현상에 호기심을 가지고 있었지만, 그냥 자연 현상의 하나로만 여기며 1600년이라는 세월이 지나갔습니다
그러나 14세기 중반부터는 이 시대의 과학자들에 의해서 정전기 현상에 대한 본격적인 연구가 시작됩니다
영국의 물리학자 윌리엄 길버트 (1544~1604)는 이 현상에 대해서 과학적인 시각으로 분석하고 기록하였습니다
그는 자석이라는 물질에 대해서 깊은 호기심을 가지고 관찰하였는데, 나침반의 철이 항상 북쪽을 향하는 현상은 자석과 관련이 있으며 지구 자체가 거대한 자석일지도 모른다고 생각하였습니다
또한 호박을 문질렀을 때 가벼운 먼지등을 끌어들이는 현상도 자석과 관련이 있다고 생각하며, 이 정전기 현상을 '호박의 힘이라고 지칭하였는데 이때부터 이 호박(보석)을 뜻하는 'elektron'이 전기의 어원이 되었습니다
이 시대는 또한 정전기를 연구할 뿐 아니라, 정전기를 인위적으로 발생시키는 장치를 만들기도 하였습니다
1650년 독일의 물리학자 오토 폰 게리케는 유황을 녹여서 동그란 공 모양을 만들고 굳어지게 하여 구리공을 만들었는데, 이 구리공을 빠르게 회전시키면서 손을 갖다 대면 정전기가 발생되어 가벼운 종이나 깃털 등이 붙는 장치였습니다
1706년 영국의 프랜시스 호크스 비도 유리를 녹여서 공모양으로 만들어 식혀서 정전기 발생기를 만들었습니다
그런데 유리는 원래 절연체라서 정전기가 발생해도 전체로 퍼지지 않고 마찰한 부분에만 집중적으로 정전기가 일어나기 때문에 이 집중된 전기가 주변의 공기를 이온화시켜 최초의 플라스마 현상이라고 할 수 있는 청색 빛이 방출되는 현상까지 보였다고 합니다
이 외에도 이 시대에는 마찰로 정전기를 발생시키는 장치들이 많이 만들어졌습니다
그러던 중 1729년 영국의 스티븐 그레이는 정전기 발생 장치로 만든 전하가 금속선이나 젖은 실, 사람의 몸 등을 통해 전달될 수 있다는 것을 알게 되었습니다
스티븐 그레이는 원래 실험에 관심이 많았던 과학자였는데 그는 전기가 그냥 한 곳에 머물러있는지 이동할 수 있는지를 알고자 정전기를 발생시킨 뒤, 그곳에 금속선을 연결하였습니다
그리고 그 금속선을 사람이 잡게 하였는데, 금속선을 잡은 사람은 정전기 현상을 느꼈을 때처럼 움찔하는 현상을 느꼈을 뿐 아니라, 금속선을 따라 깃털들이 달라붙는 현상을 보므로써 전기가 선을 따라 이동하는 것을 시각적으로도 확인하였습니다
젖은 실을 이용하여 실험하였을 때도 전기가 이동되는 것을 알게 되었습니다
이렇게 마찰을 통해 전기를 발생시키는 많은 기구들을 만들어 실험을 하였으나 곧이어 과학자들은 정전기를 연구할 때마다 일일이 구리공이나 유리구를 마찰시켜 전기를 발생시켜야 하는 것에 번거로움을 느끼게 되었습니다
그래서 '마찰을 통해 만든 전기를 저장할 수 있는 방법은 없을까'라는 생각을 하게 됐는데, 전기가 금속선을 따라 전달된다는 스티븐 그레이의 발견은 전하를 모을 수 있는 방법에 대한 실마리를 주었습니다
전기를 저장하는 장치 라이덴 병
그레이의 발견에 영감을 받아 라이덴 병을 만든 사람들은 공교롭게도 같은 시대, 다른 곳에 살았던 두 사람에 의해서 동시에 만들어집니다
먼저 1745년 10월 경 독일의 법률가이자 아마추어 과학자였던 에발트 게오르크 폰 클라이스트는 실험을 하다가 우연히 전기가 병에 모아지는 현상을 발견하게 됩니다
클라이스트는 당시에 정전기 현상이 젖은 물체에서 더 강한 충격을 준다는 것을 경험적으로 알고 있었기 때문에 유리병에 물을 담아 코르크 마개로 막은 뒤, 그 마개 사이로 금속선 하나를 꽂아 정전기 발생 장치에 연결하였습니다
그리고 평소와 같이 정전기 발생장치에 마찰을 주어 전기를 만들어보았습니다
그리고 얼마 후 우연히 금속선에 손이 닿게 되었는데 순간, 엄청난 전기적인 쇼크를 받았습니다
그는 이 충격으로 굉장히 놀랐지만 유리병에 전기가 모아졌다는 것을 알게 되었습니다
비슷한 시기인 1746년 1월경 네덜란드의 라이덴 대학의 피터 반 머신브룩 교수도 같은 방법으로 유리병에 물을 넣고 병을 손으로 꼭 쥐고, 코르코로 막은 뒤 금속선을 꽂고 금속선을 정전기 발생기에 연결시킨 뒤 전기를 발생시켰습니다
그리고 금속선을 손으로 만져보았는데, 머선 부룩은 클라이스트보다 더한 전기적인 충격을 받아 두 번다시 이런 실험은 하고 싶지 않다고 말할 정도였다고 합니다
이렇게 같은 시기에 전기를 모아서 사용해서 사용할 수 있는 방법이 발견되었지만 그 병의 이름은 머센브룩 교수가 재직하였던 라이덴 대학의 이름을 따서 라이덴 병이라고 더 유명해졌습니다
이유는 클라이스트가 먼저 만들기는 했지만 그가 아마추어 과학자라서 실험에 대한 설명이 부정확해서 과학계에 널리 퍼지지 못하였으나, 머선 브룩은 실험한 방법을 명확히 구조화해서 설명하였고 이 방법으로 유럽의 많은 과학자들이 이 실험에 성공했기 때문에, 과학자들 사이에서 라이덴 대학의 교수가 설명한 방법을 화제로 삼다가 이 장치의 이름이 '라이덴 병'으로 된 것입니다
그런데 이 두 사람 다 손으로 유리병을 붙잡고 실험을 했을 때는 전기가 강하게 모아졌는데, 손으로 붙잡지 않고 실험했을 때는 전기가 모아지지가 않은 현상을 발견하였습니다
이것은 손이 외부의 도체 역할을 했다는 것인데 이 때는 이러한 이유에 대해서 알 수가 없었습니다
단지 우리의 신체가 전기를 더 잘 모아주는 어떤 역할을 한다라는 정도로만 이해하는 수준이었습니다
그러나 이러한 원리는 이후 번개가 전기임을 입증한 미국의 유명한 정치가이자 과학자인 밴저민 플랭클린에 의해서 밝혀지게 됩니다
손이 도체역할을 한 이유
밴저민 플랭클린은 유리병에 전기를 모아서 사용할 수 있다는 소식을 듣고 전기에 깊은 관심을 가지게 되었습니다
그는 두 사람이 했던 실험을 그대로 적용해 가면서 실험을 해보았습니다
그리고 그들이 설명할 수 없었던 유리병을 손으로 잡았을 때는 많은 양의 전기가 모이고 손으로 잡지 않았을 때는 왜 전기가 모이지 않았는지를 하나하나 추론하기 시작하였습니다
그는 대전된 물체를 손으로 만지면 스파크가 튀고, 이런 전기현상이 일어났을 때, 여러 사람이 손을 잡으면 전기가 전달된다는 것을 알고 있었습니다
그래서 사람의 몸이 전기를 느끼거나 전달한다면 몸은 전기를 전달하는 도체라는 생각을 했습니다
이러한 전제하에서 그는 추론해 나갔습니다
손으로 잡았을 때만 충전이 된다는 것은 병의 외부에도 손과 같이 전하를 띠는 그 어떤 것이 필요하다는 것이었습니다
즉 전기가 저장되려면 내부 전극과 함께 외부 전극이 동시에 필요하다는 것을 알게 됐으며 이 사실을 1749년에 정리해서 발표하였습니다
이후 여러 연구자들에 의해서 라이덴 병은 도체의 역할을 하는 물과 손대신에 금속 포일이 병의 안팎에 입혀지게 되었고 , 도체(외부)-절연체(유리)-도체(내부)의 형태로 자리 잡게 되었습니다
그러나 벤저민 플랭클린도 당시에는 손이 왜 도체 역할을 하는지 정확히 알지는 못했으나, 현대에 들어 우리 몸에 칼륨, 나트륨, 칼슘과 같이 전하를 띤 이온들의 전기전기 활동이 있다는 것이 알려지면서 몸이 전류를 전달할 수 있는 도체와 비슷한 역할을 한다는 것이 이해되기 시작하였습니다
이후 라이덴 병은 안과 밖을 금속 판으로 두른 형태가 되었고, 마찰을 통해서 전기가 대전된 물체를 유리병 맨 위에 있는 금속 막대에 갖다 대면 전기가 쇠사슬을 타고 들어가 금속 판에 전하가 충전되는 방식이었으며 또한 충전된 전하는 다시 꺼내어 쓸 수 있다는 것도 알게 되었다고 합니다 (콘덴서의 시초)
이 라이덴 병에는 전압을 3만 5천 볼트까지 축척할 수 있었고 병 안에서 위 쪽으로 연결된 금속 막대가 위 쪽의 도체와 닿는 순간 스파크로 방전현상을 내기 때문에 전기의 현상을 시각적으로 볼 수도 있게 되었습니다
라이덴 병의 발명으로 과학자들은 저장된 전기를 가지고 다니면서 다양한 실험들을 할 수 있었기 때문에 18세기 후반 무렵부터는 전기 연구가 활발히 진행되었다고 합니다
번개가 전기임을 증명한 밴저민 플랭클린의 실험
한편 플랭클린은 번개도 스케일이 거대한 전기현상의 하나는 아닐까라고 생각하게 됩니다
왜냐하면 정전기 실험에서 나타나는 스파크 현상이 구름과 땅 사이에 나타나는 번개와 비슷하다고 느꼈기 때문입니다
정전기 발생기로 전기를 충분히 모은 상태에서 금속이나 손을 갖다 대면 아주 강력한 스파크 현상이 나타났는데, 섬광의 길이는 몇 mm~몇 cm정도였으며, 모양은 번개와 같이 지그재그 형태였고, 색은 푸르스름한 흰 빛을 띠었습니다
또한 폭발음까지 발생했는데 톡, 딱, 팍, 때로 방전이 크게 될 대는 펑하는 소리도 났으며 때로는 금속이 연이어 부딪치는 소리도 났다고 합니다
플랭클린은 번개도 분명히 전기일 것이다라는 확신을 가지고 이러한 생각을 직접 실험하고자 계획을 합니다
그리고 1752년 구름이 짙게 끼어 곧 번개가 칠 것 같은 날을 택하여 계획한 실험을 실행합니다
이것은 라이덴병 실험에서 손이 도체 역할을 한다는 것을 확인한 지 약 3~5년 후의 일입니다
그는 짙은 구름이 잔뜩 드리울 때 번개가 친다는 것을 알고 정전기가 모여있는 곳에 스파크 현상이 나타나듯이 짙은 구름 속에는 대량의 전하가 숨어있을 거라고 생각하였습니다
그래서 연을 만들어 꼭대기에 피뢰침과 같은 금속선을 달았습니다
그리고 연줄을 물에 젖은 삼줄을 사용하였습니다 이유는 물에 젖어있어야 전기가 더 잘 통하기 때문입니다
그리고 연줄의 끝에는 라이덴 병의 코르크 마개에 꽂을 금속 꼬챙이를 연결하였습니다
그리고 금속 꼬챙이의 끝은 라이덴 병의 안 쪽을 감싸고 있는 금박지에 닿도록 하였습니다
그리고 금속 꼬챙이에는 잘 건조된 실크천(절연체의 역할)을 연결하여 플랭클린이 연을 잡는 손잡이로 사용하였습니다
그러니까 구름 속의 전하가 금속선-젖은 연줄- 라이덴 병의 뚜껑에 꽂은 금속 꼬챙이-금박지 순서로 전기가 이동할 수 있도록 하는 구조였습니다
그는 연을 하늘로 띄워 구름 속으로 들어가게 하였습니다
그리고 잠시 후, 라이덴 병 속에 전기의 징후가 나타남을 볼 수 있었습니다
이로서 플랭클린의 예측대로 번개는 전기현상의 하나임이 입증되었습니다
플랭클린은 번개가 전기현상의 거대한 버전임을 확인하자 실험실에서 보았던 전기의 성질이 떠올랐습니다
전기는 금속의 크기와 모양에 따라서 이동하는 방법이 달랐습니다
끝이 뭉툭하고 크기가 큰 금속을 대면 아주 요란한 소리와 스파크를 내면서 이동하였지만 끝이 뾰족하고 가느다란 금속을 대면 별 스파크 현상 없이 정전기가 조용하게 흐르면서 빠져나가는 것을 수많은 실험을 하면서 목격하였습니다 또한 바늘과 같이 끝이 뾰족한 금속은 멀리서도 조용히 전하를 끌어당긴다는 것을 여러 차례 실험을 통해서 확인하였습니다
과학자이면서 정치가였던 플랭클린은 전기의 이러한 성질을 실생활에 적용시켜 번개로 인한 사고를 예방하는데 적용하고자 하였습니다
그 당시는 번개로 인한 화재사고가 많았는데, 번개가 전기라면 정전기 실험에서와 같이 뾰족한 금속의 선을 따라서 이동할 것이고 이 금속을 건물의 가장 높은 곳에서 땅으로 까지 연결시키면 전기가 이 금속의 선을 따라서 땅 끝에서 조용히 빠져나갈 거라고 생각한 것입니다
그의 생각은 정확히 맞았고, 이후 미국과 유럽은 피뢰침이 설치되어 번개로 인한 화재로부터 벗어나게 되었다고 합니다
자체적으로 생성되어 흐르는 전기, 볼타전지의 발명
이렇게 전기를 저장해서 사용하게 되면서 전기에 대한 연구는 더욱 활발해졌습니다
그런데 1780년대, 우연한 기회로 마찰로 전기를 만들고 저장해서 사용하는 것 아니라, 전기가 자체적으로 만들어져 계속 흐르는 방법이 발견됩니다
그것은 이탈리아의 의사이며 물리학자인 갈바니의 실험실에서부터 시작되었습니다
의사였던 갈바니는 개구리를 구리 판에 고정시키고 해부하는 실험을 하고 있었는데, 개구리를 해부하기 위하여 금속으로 된 칼로 개구리의 다리를 건드리자 개구리의 다리가 순간적으로 '움찔'하면서 움직이는 현상을 보게 됩니다
당시는 라이덴 병의 발명등으로 전기 현상을 본 사람들의 영감을 자극하여 '우리 몸속의 신경계를 흐르는 것도 전기가 아닐까'라는
갈바니는 개구리에게 나타난 이 현상은, 개구리의 몸속에 있는 전기가 자극을 받아 생긴 것이라고 생각하였습니다
그는 이 전기는 모든 동물의 뇌에서 만들어지는데 이것이 신경을 타고 근육에 흘러들어 가 근육에 저장되었다가 움직이는 행동을 할 때 사용된다고 생각하였습니다
그래서 자신이 칼로 개구리의 다리를 건드렸을 때, 그 전기가 금속에 의하여 활성화되어 '움찔'하고 움직였다고 설명하였습니다
갈바니의 실험은 친구였던 알렉산드로 볼타에게도 영향을 끼치어 그도 똑같은 방법으로 실험을 하게 되었습니다
그런데 그는 개구리를 구리판으로 고정시킨 것이 아니라 철로 고정을 시켜서 실험을 하였는데 갈바니에게서 들은 현상이 그의 실험에서는 나타나지 않았습니다
그래서 그는 철 대신 다른 종류의 금속으로 고정을 실험을 했더니 이 때는 전류가 흐르는 것이었습니다
그는 여러 차례 실험을 반복한 끝에 전기가 개구리의 다리에서 나온 것이 아니라, 서로 다른 금속에서 발생한다는 것을 알게 되었습니다
그래서 그는 엉뚱한 실험을 하였는데 자신의 혀 위에 동전을 올려놓고, 그리고 혀 아래에 다른 재질의 동전을 올려놓고 철사로 연결하였습니다
그러자 전류가 흐르는 것을 느끼게 되었습니다
그는 전류가 흐른 원인을 분명히 알게 되었고, 서로 다른 금속(구리와 아연)과 소금물을 적신 종이를 사이에 끼워 넣어보았더니 이 실험에서도 전류가 생성되었습니다
그래서 구리와 아연판을 여러 겹으로 겹쳐서 쌓고 그 사이에 소금물을 적신 헝겊을 사이사이 끼워 넣었더니 더 강한 전류가 흐르는 것이었습니다
1800년 볼타는 갈바니가 실험하였던 원형을 토대로 종류가 다른 2개의 금속과 그 사이의 개구리의 체액이 있었던 원리를 이용해 구리와 아연판, 그리고 그 사이에 소금물(알칼리 용액)을 적신 천 조각을 여러 층으로 쌓아 올려 양 끝에 금속으로 만든 전선을 연결하여 전류가 계속 흐르는 전지를 만들게 됩니다
사람들은 이 볼타가 만든 전지를 '볼타의 기둥' 또는 '볼타의 전기더미'라고도 불렀습니다
이 실험의 원리는 종류가 다른 두 금속 사이에 전해질을 넣으면 화학적인 반응을 일어나서 전자가 방출되는 것인데, 아연은 구리보다 전자를 쉽게 내놓는 성질이 있습니다
그래서 구리와 아연 사이에 전해질을 끼워 넣으면 전자를 쉽게 내놓는 아연에서 전자가 방출되어 구리로 이동하는 것입니다
'볼타의 전기더미'의 발명으로 인하여 인류는 정전기를 마찰에 의해 만들어 병에 전기를 보관하던 수준에서 벗어나 스스로 전기를 만들어내 계속적으로 흐르는 전류를 만들어내었습니다
이후, 볼타의 전지의 발명은 무선통신의 도구, 전자기파를 발견하는 토대가 되었습니다
전기가 자기로, 자기가 전기로 발전기의 시초
덴마크의 과학자 외르스테드는 전기 실험을 하다가 나침반을 전류가 흐르는 전선 옆에 두면 나침반의 바늘이 움직인다는 것을 발견하였습니다
외르스테드는 이 현상을 발표하였고, 이 발표를 들은 패러데이는 아주 큰 관심을 가지면서 이 현상을 실험하기 시작하였습니다
이 실험을 하면서 패러데이는 전류가 나침반을 움직였다면, 이 둘 사이에는 어떤 보이지 않는 상관관계가 있을 것이고 자석으로도 전기를 만들 수 있을 거라고 생각하고, 자석이 전기를 만들 수 있는지를 실험하기 시작하였습니다
그래서 맨 처음 실험할 때 그는 자석을 코일 근처에 놓아두어 전류가 흐르는지를 확인하였습니다
그런데 이런 상태에서는 전류가 흐르지 않았습니다
그런 다음 자석을 움직여보기로 생각하고 자석을 코일 가까이 가져갔다가 떼어보았더니 약한 전류가 흐르는 것을 확인하였습니다
그래서 패러데이는 정지한 자석은 전류를 만들지 못 만들고 움직이는 자석만 전류를 아주 잠깐 흐르게 한다는 것을 알게 되었습니다
패러데이는 또다시 자석은 정지시켜 놓고 코일을 움직이면 어떨까라는 아이디어가 떠올라, 자석은 그대로 두고 코일을 위아래로 움직여보았습니다 그랬더니 이 번에도 전류가 생성되었습니다
그렇다면 자석자체가 전류를 흐르게 하는 것이 아니라, 자석이 움직일 때만 전기가 흐른다는 것인데, 자석의 움직임이 있을 때 주변의 공간에 영향을 준 것이 무엇이었을까를 생각하게 됩니다
패러데이가 내린 결론은 자석에는 보이지 않는 어떤 에너지장 같은 선이 형성되어 있는데, 이것이 평상시에는 일정한 상태로 움직이지 않고 있다가, 움직임이 일어날 때, 그 에너지장이 변하여 주변에 있는 도체에 영향을 끼치게 되는 것이라고 생각하게 되었습니다
그런데 문제는 이 자기장에 변화를 주려면 자석을 계속 움직여줘야 하는데, 패러데이는 자석을 움직이지 않고도 자기장을 변화시킬 수는 없는가를 생각해 보았습니다
그가 내린 결론은 자석이 아니라, 자기장의 변화였습니다
그는 전류가 흐르면 자기장이 생긴다는 것을 알았기 때문에 일단은 먼저 전류를 흐르게 하여 자기장을 형성시켜야 한 다과 생각하였습니다
그래서 철심의 위쪽에 1차 코일을 감았습니다
그리고 아래쪽에 2차 코일을 감습니다
그리고 먼저 1차 코일에 전류를 흐르게 하여 자기장을 생성시킵니다
다음, 이 자기장이 아래쪽에 있는 2차 코일에 영향을 주게 하기 위해서 전류의 양을 늘립니다
그러면 변화된 자기장의 영향으로 2차 코일의 일부분에 잠깐 전류가 흐르다가 멈춥니다
이후 1차 코일의 전류를 완전히 꺼버리면, 2차 코일에서 자기장의 영향으로 잠깐 흘렀던 전류가 1차 코일 쪽으로 이동하면서 전류가 흐르게 됩니다
그 당시 패러데이는 자기장의 영향을 받는 것이 전류라는 것은 알았지만 전자의 흐름이라는 것을 알지 못하였습니다
사실, 이러한 현상의 더 근원적인 원인은 자기장에 영향을 받는 전자에 있습니다
자기장의 변화는 도체에 있는 전자를 밀어내거나 당기는 작용을 하고, 밀려난 전자는 자리를 메꾸기 위해서 이동이 시작되고 이것을 전류라고 합니다
그러니까 패러데이의 실험은 먼저 1차 코일에 전류가 흐르게 해서 자기장을 형성시켜 놓은 다음, 자기장의 형태에 변화를 주기 위해다음 단계로 전류를 늘리는 버튼을 눌러 전류량을 늘립니다
그러면 자기장도 늘어나 2차 코일에 있는 전자에게 약간 영향을 주게 됩니다
그래서 2차 코일의 일부 전자가 약간 이동을 하여 전류가 잠깐 흐르지만 그 이상 자기장의 변화는 없기 때문에 더 이상 전류가 흐르지 않습니다
그런 다음, 1차 코일을 완전히 꺼버리면, 자기장이 완전히 없어지므로 2차 코일에서 자리가 이동됐던 전자들이 다시 원래의 자리로 돌아가면서 전류의 이동이 시작됩니다
전류의 방향은, 1차 코일이 있던 방향을 향해서입니다
이유는 전자는 자기장이 없어지는 것을 싫어하기 때문에(직관적인 표현임) 이 변화에 저항하기 위해서입니다
패러데이가 이러한 방법으로 자기를 전기로 전환시키는 실험에 성공한 것은 1831년 7월입니다
패러데이의 실험을 적용한 최초의 발전기(에디슨)
패러데이의 실험은 전류는 자기장을 만들고, 자기장의 변화는 전류를 만든다는 것을 알게 되었고, 또한 움직이는 자석으로 전류를 만들 수 있다는 것을 실험으로 확인하게 되었습니다
또한 이러한 원리를 규모가 큰 장치에서 반복적으로 하면 전류를 계속 만들어낼 수 있을 거라는 아이디어를 주었습니다
패러데이의 전자기 유도의 원리를 가장 실용적으로 적용한 사람이 에디슨(1847 ~ 1931)입니다
에디슨은 1879년 백열전구를 발명하였는데, 이 전구를 켜기 위해서는 전기를 안정적으로 공급할 수 있는 발전소가 필요했습니다
에디슨은 1882년, 패러데이의 원리를 이용하여 회전하는 구리판을 자석과 자석 사이에 설치하고 구리판을 통해서 전류가 계속 만들어지면 이것을 집적장치에 모으고, 전선을 통하여 약 3000개의 전구에 최초로 전력을 공급하였다고 합니다
맥스웰의 전자기장 방정식
한편 수학의 천재였던 스코틀랜드의 제임스 클러크 맥스웰(1831~1879)은 당시 패러데이 실험에 관심을 가졌습니다 맥스웰은 전기장과 자기장을 수학적으로 풀려고 노력하였고, 패러데이가 직감으로 본 세계를 수식으로 그려내려 하였습니다
맥스웰은 패레데이에게 자신의 논문과 함께 조언을 구하는 편지를 보내기도 하였습니다
1864년 마침내 맥스웰은 전기와 자기의 현상을 수학적으로 완벽히 정리하여 세상에 내놓았는데 전기와 자기는 같은 것이며 빛 또한 전기와 자기의 또 다른 형태라고 하였습니다 또한 전자기파는 파동을 그리며 공간을 이동하며 또한 이 파동의 형태는 빛 전파의 특징과 비슷하다고 예측하였습니다
여기서 잠시 전기와 자기는 왜 같은 것일까요
우리가 아는 바와 같이 전기는 전하를 띠고 있는 상태를 말합니다
그런데 전하가 멈춰있으면 전기장이 나오고, 이 전하가 원형 패턴으로 움직일 때를 자기장이라고 합니다
즉 전기장과 자기장은 같은 것인데 움직이는 방식에 따라 전기와 자기로 나누어지는 것입니다
그러나 그의 주장은 당시 보편적인 과학자들에게는 받아들여지지 않는 이론이었지만 몇몇 과학자들은 맥스웰이 수학적으로 증명하였던 공간으로 전파되는 전자기파를 실험적으로 검증하기 위하여 많은 실험을 하였습니다 그러나 맥스웰의 이론을 증명하지 못하다가 1873년 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠(1857~1894)가 맥스웰이 수학적으로 증명하였던 전자기파를 검증하게 됩니다
헤르츠의 전자기파 실험
헤르츠는 맥스웰의 이론을 증명하기 위해서는 전자기파가 전기가 흐르는 선에서 나와 공간 속으로 퍼질 수 있도록 하는 장치가 필요하다고 생각하였습니다 그래서 방전현상을 이용하면 전자기파가 도선에서 나와 공간으로 퍼질 거라 생각하였습니다 맥스웰은 발진기와 그리고 발진기와 연결된 유도코일을 연결하였고 유도코일의 양 끝은 방전현상으로 스파크를 일으켜 전자기파가 공간으로 퍼져나갈 수 있도록 작은 틈을 두고 분리시켰습니다
그리고 전자기파가 스파크를 통해 공간으로 퍼져나갔을 때 전자기파를 수신할 수 있는 와이어도 만들었는데 그 와이어는 철로 만들었으며 양 끝을 떨어지게 만들어서 전자기파가 수신되었을 때 스파크를 일으킬 수 있게 하였으며 수신기를 발진기에서 몇 미터 떨어진 거리에 두어 실험하였습니다
실험결과 발진기로부터 나온 전류는 발진기와 연결된 코일에 스파크를 일으키고 곧이어 몇 미터 정도 떨어진 수신 와이어에도 스파크 현상이 일어남을 보므로써 헤르츠는 맥스웰이 주장하였던 전자기파를 실험적으로 증명할 수 있게 되었습니다 맥스웰의 처음 실험의 전자기파의 파장은 약 3미터였다고 합니다
헤르츠의 실험의 성공으로 전기선이 없이도 멀리 떨어진 곳에 신호를 전달할 수 있다는 가능성을 보기는 하였지만 발견 당시의 전자기파는 먼 거리까지 전송되지 못하고 곧 사라져 버렸기 때문에 헤르츠는 이 전자기파의 실용성에 대해서 큰 기대를 하지 않았다고 합니다
전자기파로 이룬 무선통신의 시대가 열리다
그러나 비록 3미터의 길이지만 헤르츠 실험의 성공을 본 많은 과학자들은 전자기파의 가능성을 보고 계속 실험에 매진하여 전자기파가 도달하는 거리를 수 백 미터로 늘리기도 하였습니다
이때, 이탈리아의 물리학자 구리엘모 마르코니(1874~1937)는 이탈리아의 사르데냐 섬에서 태평양 바다 건너에 있는 캐나다의 뉴펀들랜드에 강력한 전자기파 송신기와 수신기를 세워 무선신호를 실험을 하였는데 성공적으로 바다 건너에 있는 캐나다에서 수신에 성공됩니다
이로써 무선통신의 가능성을 확신하게 된 마르코니는 실험하는 것을 넘어서 이 기술을 적용시킬 수 있는 곳을 찾기 시작하였습니다
그 당시 영국의 항구는 안개가 심해서 바다에 나갔던 배가 항구로 돌아올 때 앞이 보이지 않아서 사고가 많았다고 합니다
그래서 마르코니는 영국해군에게 이 무선통신 기술을 적용시켜 보자고 제안하였습니다
그러나 거절되었는데, 갑자기 1912년 타이타닉호의 사건이 일어나게 됩니다
이때 타이타닉 호의 근처를 지나가던 선박이 타이타닉에서 보낸 신호를 받고 배에 있던 3분의 1 가량의 사람들이 구조되면서, 사람들은 무선통신의 필요성을 절감하게 되었고, 이때부터 무선통신에 대한 관심이 폭발하기 시작합니다
이 후로 무선통신은 발전에 발전을 거듭해 왔으며 현대에는 휴대전화, 무선 인터넷, 위성통신등 현대인의 삶에 없어서는 안 되는 생활의 필수요소가 되었습니다
마무리
정전기 현상은 인류에게 전기라는 보이지 않는 에너지의 단초를 제공하였고, 인류는 수천 년의 세월 동안 마치 양파가 껍질을 하나하나 벗어내듯이 아주 조금씩 그 존재를 드러내었습니다
지금 현재 우리들이 누리고 있는 전기문명의 결과는 어느 누군가의 뛰어난 발견과 개발로 이루어진 것이 아니라 아주 오랜 세월 동안 축척된 호기심과 탐구의 결과입니다
우리들이 늘 보는 물질과 물질이 마찰되어 튀어나온 전자의 존재를 눈치챘다는 것은 참으로 놀라운 행운이었던 것입니다
우리가 살고 있는 세상의 이면은 참으로 놀라운 비밀로 가득 차있는 것 같습니다
현재 인류는 전자를 넘어 더 깊은 영역을 탐험하고 있습니다
이 세계는 에너지와 입자의 경계를 무너뜨리는 우리의 상식을 깨는 세계라고 이야기들하고 있습니다
지구를 살아가는 우리들은 앞으로 어떤 세상을 맞이하게 될까요