17 전기에서 자석이, 자석에서 전기가?

전자석과 발전기: 전자기 유도

지난 이야기까지 전기에 대해서 다루었었죠? 전기는 전자가 전기장에 의해 힘을 받아서 움직이는 현상이었습니다. 전선 안에서는 전기장이 생기자마자 모두 같이 옆으로 척! 하고 움직여 순식간에 신호도, 에너지도 옮길 수 있었죠. 이번 시간에는 자기에 대해 이야기하려 합니다. 얼핏보면 상관없어 보이는데요, 그래도 전자기로 묶인 이유가 있겠죠? 시작해봅니다~

자기는 그냥 자석 생각하시면 됩니다. N극과 S극을 가진 막대자석 같은 영구자석에 대해서는 모두 익숙하시죠? 같은 극은 서로 밀고, 다른 극은 서로 당깁니다. 19세기까지는 이러한 자석과 전기는 별개였는데요. 전기쪽이 발전하면서 아래 그림같은 것이 발명됩니다!

<그림1> 전자석, 출처: Wikipedia

익숙한 그림이시죠? 네! 바로 전자석입니다. 전선을 빙빙 감아놓고 전기를 흘려주니까, 아니 자석이 되는 겁니다! 전기와 자석은 아무 상관도 없는 줄 알았는데요. 지금은 당연할지 모르지만, 그 당시에는 획기적인 것이었겠죠. 게다가, 옮기고 싶은 짐에 자석을 붙여놓고 전자석에 전기를 흘리면 어떻게 될까요? 당연히 끌려 오겠죠? 세상에 전기로 (역학적인) 일도 할 수 있는 있는 것인거죠. 물론 이렇게 하면 너무 불편하니, 바퀴와 같이 회전하는 형태로 만드는데요, 그것이 바로 모터(전동기)입니다.

<그림2> 전동기, 출처: 나무위키

전기를 흘리면 자석이 된다고 했죠?같은 극으로 만들어 밀쳐내게 하고, 그래서 반바퀴돌면 다시 극을 바꿔줘서 또 밀쳐내게 하고... 이러면 빙빙 돌겠죠. 여기에 바퀴를 달면 자동차가 되고, 도르레에 연결하면 짐을 올리겠죠. 전기는 전자석을 통해 일도 할 수 있는 것입니다.

전기가 흐르면 자석이 되는 것도 신기한데, 전기 자동차나 짐 올리기 같은 일도 시킬 수 있는 것은 너무 대단하지 않았을까요. 전기로 신호도 보내고, 전기난로도 만들고, 전등도 켰었는데, 이제 일도 시킬 수 있게 되었으니. 이래서 전기만 있으면 뭐든 다 할 수 있는 시대에 살게 되는 것이죠.

그런데 이러한 전기는 어떻게 만들수 있을까요? 여기에 전기와 자기 사이의 또 놀라운 관계가 있습니다. 전기로 자기(자석)을 만들 수 있다면, 혹시 반대는 안될까요? 즉 자석으로 전기 만들기 말이죠. 위에서 이야기한 것을 주~욱 반대로 한다면 혹시?

이런 생각을 실제로 실험으로 옮긴 이가 있었으니, 패러데이 라는 분입니다. '전기가 흘러 전자석이 되는데 자석과 같이 하면 일도 한다'를 뒤집어, '자석을 움직여서 전자석(코일) 앞에서 일을 하면 전기가 생긴다'로 바꾸는 것이죠! 그림 1에서 건전지를 빼고, 그 앞에 자석을 놓고 흔들면? 그림 2에서 건전지를 빼고 코일을 돌리면? 우앗! 전기가 생기는 겁니다. 이것을 전자기 유도라고 합니다.

이런 일이 왜 생기는 걸까요? 이유는 설명하지 못했습니다. 직관적으로 뒤집으면 될거 같으니, 전기가 자기를 만드니까 자기도 전기를 만들 것 같으니 해 본 것이겠죠. 물론 이렇게 생각하고 실험해본다는 것 자체가 정말 천재적 발상과 실행력입니다. 이유는 몰라도 마치 질량을 가진 물체끼리는 힘이 있다는 만유인력의 법칙과 같이 실험에 의해 법칙으로 인정받게 될 따름이었던 것이죠. (물론 나중에는 상대성이론에 의해 설명이 되기도 합니다)

19세기는 실험 물리학이 꽃피웠던 시대라고나 할까요. 위의 페러데이는 정식 교육을 받지도 못했는데도 엄청난 법칙을 실험으로 밝혀내기도 했던 낭만적인 시대... 그리고 그 실험을 기반으로 완벽한 수학적 체계도 구축하던 시대가 19세기 입니다. 물리학자 입장에서는 정말 낭만적인 시절이네요. ^^

다음 시간에는 전자기가 어떻게 아름다운 학문으로 완성되는지, 그래서 지금의 무선 통신까지 이어지는지를 이야기해 보겠습니다.