16 전선을 타고 전기장은 빛 처럼 빨리~

전기장으로 다루는 정밀하고 빠른 전기적 현상

지난 시간에는 전선에 건전지를 연결하면 전기가 흐르는 것에 대해 이야기를 나누었습니다. 건전지가 전기력이라는 힘을 주어서 전자가 움직이는 것을 전기라고 했구요. 그런데 엄청난 숫자의 전자가 움직이는 것이라서 전기장이라는 개념을 쓴다고 이야기 했죠. 전기장에 전자의 전하량(전기를 가진 정도)를 곱하면 바로 힘이 되니, 전기장만 알면 전자가 어떻게 움직일 지 알게 되는 것이었죠. 전기장이 있는 공간에 전자를 놓으면 바로 힘을 받아 가속하거든요.

그런데 이 개념은 또 엄청난 일을 일으킵니다. 그것은 엄청 빠른 신호와 에너지의 전달인데요, 오늘은 그 이야기를 해 봅니다.

보통 우리가 메세지를 전달하려면 어떻게 하죠? 편지를 써서 보내야 겠죠? 18세기까지 가장 빠른 메세지 전달 방법은 비둘기 였습니다. 영화에서 보시잖아요, 비둘기 다리에 편지 묶어서 보내는 것. 그것보다 빠른게 없었던 것이죠. 왜냐면, 여하튼 실제 물건(종이)가 상대방에게 가야 되니까요. 에너지도 마찬가지 입니다. 추워서 불이 필요하면 뗄감을 보내야 하잖아요. 운동에너지로 보내려면 공이라도 굴려야 할까요? 여하튼 실제 물건이 꼭 가야 하는 거죠.

그런데 전기는 그 부분에서 획기적으로 바뀝니다! 아래 그림을 보시죠.

<그림> 전기 스위치 회로

아래쪽은 전원(건전지)이고, 오른쪽은 전등입니다. 위에 있는 것은 스위치 입니다. 스위치가 들려서 열려있으면? 즉 끊겨있으면 전등에 불이 안들어오겠죠. 그런데 눌러서 닫히게 하여 연결되게 하면? 불이 들어옵니다. 스위치를 눌렀다 떼었다하면 불이 켜졌다 꺼졌다 하겠네요. 그런데 불이 켜지는데 얼마의 시간이 걸릴까요? 전자가 건전지에서 전등까지 가야하니 엄청 오랜 시간?

아닌거 다 아시죠? 스위치를 누르면 바로 켜집니다. 거의 빛의 속도로 빠르게 켜집니다. 어떻게 된 일일까요? 돌을 던져도 직접 맞아야 뭔가 깨지든지 할텐데요. 답은 전선에 있습니다. 도체로 이루어진 전선에 건전지를 연결하고 스위치를 켜면, 전선을 타고 전기장이 순식간에 펼쳐집니다! 그러면 모든 전선의 전자들이 동시에 힘을 받고 옆으로 척! 하고 움직이는 것이죠. 그 전기장이 펼쳐지는 속도가 거의 빛과 같아서, 순식간에 불이 커지는 것이지요.

불이 켜지고 꺼지고 하는 것으로 신호를 만들어서 보내면 어떨까요? 이것을 모스 부호라고 하는데요, 그러면 원하는 메세지를 순식간에 저~멀리 전달할 수 있겠죠? 19세기에 이런 방식으로 전신이 만들어집니다. 그리고 21세의 인터넷도 본질적으로는 같은 방식을 씁니다. 0과 1로 만들어진 전기 신호를 보내는 것이니까요. (광케이블도 있는데, 그건 나중이 다룰께요~)

전기장이라는 것이 전달되는 것은 이렇게 엄청나죠? 그런데 이런 방식으로 에너지도 전달할 수 있습니다. 애초에 불이 켜지는 거잖아요. 마치 불을 떼듯이. 이것을 전기 장판에 연결하면 따뜻한 것이구요. 예전 같으면 나무나 석유를 보내야 했는데, 전선만 연결하면 순식간에 에너지를 전달할 수 있다는 것이죠! 모터에 연결하면 물건을 들어올리는 일도 시킬 수 있구요.

힘에서 전하를 나눠서 전기장이라는 개념을 만들었을 뿐인데, 이렇게 생각이 확장되어 엄청난 일들이 나타납니다. 그리고 전기장은 매우 정확하게 계산하여 예측도 할 수 있고, 제어도 가능합니다. 그래서 첨단 기술에 활용하기 딱 좋은 것이지요. 20세기 중반부터는 가히 전기의 시대라 할 수 있을 정도로 말이죠.

지금까지 전자기에서 전기를 이야기 했죠? 당연히 다음에는 자기를 이야기할 차례겠군요~ 게다가 전기와 자기는 딱 붙어다니는 신기한 친구들입니다. 다음시간에 이어가도록 할께요~