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Mar 10. 2024
연문위키 - 14편. 전기는 어디에서 왔을까?①
1) 전기의 발견? 발명?
전기는 발견하였을까요? 아니면 발명되었을까요?
호박(amber) - 나뭇진의 화석이다. 영화 쥬라기공원에서 호박 속에 갇힌 모기의 피로 공룡을 재현해 낸다.전기(Electricity)의 어원은 그리스어로 보석의 일종이자 나뭇진의 화석인 호박(amber)을 뜻하는 일렉트론(Elektron)에서 왔어요. 호박 보석과 전기가 무선 상관이냐고요? 기원전 550년 경 그리스의 철학자 탈레스는 호박을 천으로 문지르면 종이와 같은 물체를 끌어당긴다는 사실을 밝혀냈어요.
정전기(Static electricity)와 비슷한 마찰 전기 현상을 발견한 거죠. 호박이 전기를 만들어낸다고 여겼기 때문에 명칭도 호박에서부터 유래된 거죠.
탈레스(626 B.C ~ 548 B.C)
최초의 철학자, 최초의 수학자, 최초의 고대 그리스 7대 현인이라는 별명으로 유명한 고대 그리스의 철학자이자 서양 철학의 아버지라고 불려요. 천문학을 이용해 일식을 예측하고, 기하학을 이용해 이집트의 대피라미드 높이를 계산해 낸 일화가 유명합니다.
오토 폰 게리케가 만든 정전기 발생 장치고대의 사람들도 손을 찌릿하게 하는 정전기를 통해 전기의 존재를 어렴풋이 알고 있었어요. 하지만 번개와 벼락을 보고 전기란 무섭고, 신비한 마법 속의 존재로 여겨졌어요. 무려 17세기까지도 말이에요.
17세기에 와서야 독일의 물리학자인 '오토 폰 게리케(Otto von Guericke)'가 인위적으로 정전기를 발생시키는 장치를 만들었습니다. 전기가 인간의 영역으로 다가온 것 이죠. 유황으로 제작한 구체를 돌리면서 건조한 손바닥으로 문지르면 전기를 띠는데, 이 구를 다른 물체와 접촉하면 그 물체도 전기를 띠게 되는 것을 발견한 거예요.
번개와 벼락 : 땅에 떨어진 번개를 낙뢰(落雷) 또는 벼락이라고 해요.
정전기를 모을 수 있는 라이덴병이후 18세기 중반에 와서 네덜란드 라이덴 대학(Universiteit Leiden)의 뮈센브루크 교수(Pieter van Musschenbroek)는 정전기를 축적할 수 있는 유리병, 일명 '라이덴병(Leiden Jar)'을 개발했어요. 최초의 축전기(capacitor)가 되겠습니다.
라이덴병은 개발 초기부터 전 세계로 퍼져 나갔는데요, 많은 사람들이 재미와 장난을 위해 사용했다고 해요. 여러 사람들을 손잡게 해 동시에 감전시키는 장난을 치거나, 전기로 불꽃을 일으키는 마술쇼와 같은 다양한 시도가 이어졌어요.
축적(蓄積(쌓을(축), 쌓을(적)), accumulation) : 모아서 쌓는 것. 발음이 비슷한 단어 중에 축척(縮尺, 줄일(축), 자(척)), scale)가 있는데, 축척은 지도에서의 거리와 실제의 거리 사이의 비율을 나타내는 말입니다.
피뢰침이 번개를 끌어당기기 직전의 순간벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)도 이러한 마술쇼에서 영감을 얻어 피뢰침을 개발했다고 해요. 프랭클린은 번개가 치는 날 연을 날렸어요. 역시 비범한 과학자는 남들과 다른 행동을 하죠? 그 연의 끝에는 뾰족한 금속 칩을 꽂고, 연줄의 끝에는 금속열쇠를 매달아서 연이 번개를 맞도록 실험했어요. 여러 시행착오 끝에 프랭클린은 연 줄의 끝에 달린 금속 열쇠에서 불꽃이 튀는 현상을 발견했습니다. 직접 번개를 맞은 것도 아닌 열쇠인데도, 만지면 짜릿한 통증이 느껴졌죠. 결국 프랭클린은 번개가 신의 형벌이 아니라 정전기의 일종이라는 것을 증명해 내었어요. 이 실험을 통해 벼락이 떨어지기 쉬운 건물의 꼭대기에 금속 첨탑을 세워 번개의 전하를 흡수해 피해를 막는 피뢰침이 만들어졌어요.
피뢰침(避雷針, Lightning Rod) : 전기를 피하는 바늘이라는 의미. 벼락촉이라고도 합니다. 끝이 뾰족한 금속으로 된 막대기로, 옥상이나 굴뚝 등에 세워서 벼락의 피해를 막기 때문에 피뢰주라고도 불러요.
전기는 어떻게 움직이는 걸까요?
1820년 외르스테드(Hans Christian Ørsted)는 축전지에서 나오는 전류를 흐르게 하거나, 막으면 근처의 나침반이 움직임을 발견했습니다. 그 당시에는 신비한 현상으로 여겨졌던 자기장이 전류로부터 생긴다는 사실을 찾아낸 거죠. 그리고 이 실험은 여러 과학자들과 함께 꾸준하게 연구되고, 확장되었어요.
패러데이의 전자기 유도 실험 장치영국의 물리학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)는 전기로부터 자기가 생길 수 있으면 거꾸로 자기로부터 전기가 생길 수 있지 않을까라고 상상했어요. 그리고 만약 자기로부터 전기를 만들 수 있다면 배터리 없이 전기를 만들 수 있는 새로운 방법이 생길 것으로 기대했습니다. 화력발전, 수력발전, 원자력발전에서 등장하는 '발전(electricity generation)'이 바로 자기로부터 전기를 만드는 거예요.
패러데이는 외르스테드의 실험 이후 거의 12년간 전기를 만드는 새로운 방법을 연구했고, 마침내 1831년 전자기 유도(electromagnetic induction) 현상을 증명했어요. 최초로 배터리 없이 전기를 만들어 낸 사건이죠. 전자기 유도는 자석과 코일 사이에서 한쪽 방향으로 움직임이 발생하여 코일을 통과하는 자기장이 변하면, 전류가 코일을 통해 흐르는 현상을 말해요. 한마디로 전선을 감아놓은 도체(코일)에 전구를 연결하고, 자석을 한쪽 방향으로 빠르게 움직이면 전구가 켜진다는 거죠.
이 처럼 전류가 움직이는 힘(기전력)의 크기는 코일 내부를 지나는 자석이 빠르게 이동할수록 커진다, 즉 기전력의 세기에 관련된 법칙을 패러데이의 법칙(Faraday’s Law)이라고 부릅니다.
코일(coil) : 전선을 감은 기본 요소입니다. 인덕터(inductor)나 선륜(線輪)이라고도 불러요. 전선에 전류가 흐를 때 전선 주변에 발생되는 자기장은 자기력이 되고, 이 전선을 코일처럼 감았을 때 전류가 움직이는 힘이 발생합니다.
기전력(起電力(발생할(기)), electromotive force, emf) : 전기가 발생하게 하는 힘. 전류를 발생시키고 지속적으로 흐르게하는 원인이자 원동력으로써 전압과 같은 의미로 사용됩니다.
렌츠의 법칙 또한, 1834년 러시아의 물리학자 하인리히 렌츠(Heinrich Friedrich Emil Lenz)는 자석과 코일이 가까워지면 코일은 자석을 밀어내려고 하고, 자석이 멀어지려고 하면 끌어당기려고 한다는 렌츠의 법칙(Lenz's law)을 발견했어요. 마치 자석 2개처럼요.
자석을 한쪽 방향으로 움직이면 전류가 움직이는 힘이 생기는데, 이때 발생한 전류 때문에 자석 움직임을 방해하기 위한 자기장이 생기는 것을 알아냈습니다. 자기력은 자석의 힘이고, 자기장은 자기력이 미치는 범위를 의미해요. 그러니까 렌츠의 법칙은 전류가 움직이는 힘(기전력)의 방향을 나타내는 거예요. 한쪽 방향으로 계속 자석을 움직이게 하면 전기가 만들어진다는 거예요.
한쪽 방향으로 계속 움직이는 방법은 무엇일까요?
한쪽 방향으로 움직이는 자기장이 전류를 만들어 낼 수 있음을 알게 된 과학자들은 가장 효율적으로 자기장이 움직이는 방법을 또 찾아냅니다. 제한된 공간에서 끊임없이 일정하게 한 방향으로 움직이는 방법은 바로 '원운동'이라는 사실을 말이에요. 그러니 전류를 흐르게 하고 싶으면 자석이나 코일 중 이제 무엇이든 하나만 돌리기만 하면 되는 거예요.
사실 오늘날 대부분의 발전소는 전자기 유도 방식으로 전기를 만들어 냅니다. 아주 단순하죠. 결국 다양한 에너지를 '원운동 에너지'로 바꾸는 거예요. 그래서 코일이 포함된 터빈(turbine)을 돌리는 겁니다. 물론 터빈의 가운데는 거대한 자석이 있어야겠죠. 어떻게 하든 터빈만 돌리면 되는 겁니다.
증기기관의 원리먼저 가장 널리 사용되는 방법은 물을 끓이는 거예요. 그리고 그때 나온 수증기의 힘을 통해 터빈을 돌리는 거예요. 수증기의 힘은 너무 대단해서, 기차의 엔진으로도 사용될 정도입니다. 이 것을 증기기관이라고 불러요. 산업혁명의 가장 중요한 발명품이기도 했어요.
터빈을 돌리면 전기가 만들어집니다. 화력발전의 원리도 터빈을 돌리기 위해 수증기를 이용하는 거예요.전기를 만들 때도 수증기의 힘을 빌리는 생각을 한 것은 당연했을 거예요. 오늘날 화력, 지열, 그리고 원자력 발전이 이 방법으로 전기를 만들죠. 화력은 석탄을 태우고, 지열은 땅속의 뜨거운 열을 이용합니다. 원자력 발전은 우라늄(U)의 핵분열에서 나오는 막대한 에너지를 이용해 '물을 끓이는' 거예요. 원자력의 힘으로 고작 물을 끓이다니 먼가 속는 기분이 드나요?
수증기의 힘
물은 액체이지만 100℃ 이상에서는 기체인 ‘수증기’로 변하는데 이때 부피가 크게 늘어납니다. 수증기는 물이 증발하면서 만들어지는 기체를 의미해요. 물 분자의 움직임이 엄청 커지면서, 부피가 팽창하게 되고, 이때 에너지가 발생해요. 라면을 끓일 때 냄비 뚜껑이 들썩들썩하는 것도 수증기의 힘이죠.
원래 수증기는 아주 작은 입자이기 때문에 우리 눈에 보이지 않습니다. 하지만 수증기가 공기 중에서 식으면서 작은 물방울로 변하게 되는데 이 것을 '김'이라고 하고 '김 서린다'라고 표현합니다. 하지만 '김'은 기체가 아니라 액체입니다.
지구의 대기 중에 포함된 수증기는 13조 ｔ이나 되는데, 이 수증기가 한꺼번에 응결해 비로 내린다면 지구전체를 26㎜ 두께로 덮을 수 있는 양이에요.
수력발전의 원리 : 높은 곳의 물이 떨어지면서 터빈을 돌린다. 끝.