재미로 읽다가 100점 맞는 색다른 물리학(하편)

재미로 읽다가 100점 맞는 색다른 물리학(하편)

천아이펑 지음

미디어숲 / 2022년 4월 / 240쪽 / 17,800원





01 전기와 자기



‘돈모철개’로 운 떼기 - 정전기 현상과 전하

인류는 정전기 현상을 보고 ‘전기’의 존재를 깨달았다. 2천여 년 전 후한의 뛰어난 사상가였던 왕충이 지은 《논형》에 정전기 현상에 관한 기록이 있다. 그가 말한 ‘돈모철개’에서 ‘돈모’는 호박을 가리키고 ‘개’는 겨자씨라는 뜻도 있지만 건초, 종이 등 몹시 작고 하찮은 것을 가리키기도 한다. ‘철개’는 티끌처럼 미세한 물체들을 끌어들인다는 의미다. 그러므로 ‘돈모철개’는 호박을 문지르면 가볍고 작은 물체를 끌어들인다는 뜻이 된다. 이는 마찰로 전기를 일으키는 정전기 현상을 고대 사람들도 인식하고 있었음을 의미한다. ‘정전기’는 전하가 정지 상태에 있어 흐르지 않고 머물러 있는 전기를 말한다.

유럽에서는 영국 여왕 엘리자베스 1세의 주치의 윌리엄 길버트가 처음으로 ‘전기력’이라는 개념을 도입해 정전기 현상을 체계적으로 연구했다. 1600년, 길버트는 어떤 물질들을 서로 마찰시키면 작고 가벼운 물체를 끌어당긴다는 사실을 발견하고 이 힘에 ‘전기력’이라는 이름을 붙였다. 전기를 뜻하는 영문 알파벳 ‘Electricity’는 ‘호박’을 뜻하는 고대 그리스어 ‘Elektron’에서 파생되었다.

정전기 현상은 생활 속에서 흔히 관찰할 수 있다. 건조한 계절, 아침에 잠자리에서 일어나 빗으로 머리를 빗으면 빗과 머리카락이 마찰해 정전기가 발생된다. 스웨터를 벗을 때, ‘티딕틱’ 하는 마찰음을 들어 본 적이 있을 것이다. 저녁에는 번쩍하고 튀는 작은 스파크를 볼 수도 있다. 게다가 정전기가 발생할 때 문고리, 열쇠, 수도꼭지 등 금속 물체를 만지면 감전된 것처럼 찌릿한 느낌이 든다.

회로 연구의 기본 물리량 - 전류, 전압과 저항

전류: 전류 개념은 전기학과 전자기 현상을 연구하는 데 중요한 의미를 지닌다. 운동하는 물체는 정지해 있을 때보다 상대적으로 그 본질과 다채로운 성질을 잘 드러낼 수 있기 때문이다. 전류는 전하가 일정한 방향으로 흐르는 현상으로 금속 도체 내에서의 전류는 자유 전자가 일정한 방향으로 이동함으로써 형성된다. 전류는 회로를 통과하면서 다양한 현상을 일으키는데 전등의 열과 빛을 내고, 선풍기를 돌리고, 축전지를 충전시킨다. 이 모든 현상은 전류가 여러 가지 특정 부품을 통과하면서 전기 에너지를 다른 형태의 에너지로 전환시키기 때문이다.

최초로 전류를 발견한 사람은 이탈리아 볼로냐 대학의 해부학 교수였던 루이지 갈바니다. 1780년, 갈바니는 조수와 함께 개구리를 해부하다가 수술용 칼이 개구리의 신경에 닿으면 개구리 다리가 움찔한다는 것을 발견했다. 갈바니와 조수는 수백 번의 실험을 통해 결론을 내리고 볼로냐 대학 1791~1792년 업무 요록에 다음 내용을 정식으로 발표했다. “개구리 신경에서 전기가 나오고 해부용 칼이 도체가 되어 전도 작용을 하면서 전류를 형성한다.” 갈바니는 이런 종류의 전기를 ‘동물 전기’(현재는 생물 전기라고 부름)라고 불렀다. 이로써 전류 연구의 서막이 열렸다.

전류는 ‘직류의 교류’ 두 가지로 나뉜다. 휴대폰 배터리가 제공하는 전류는 직류이지만 훨씬 더 광범위하게 응용되는 것은 교류다. 똑같은 값의 교류 전류와 직류 전류에 감전됐을 때, 교류 전류는 같은 값의 직류 전류보다 인체에 대한 위험도가 크다. 중?고등 과정 물리에서 사용하는 전류 측정 기구는 이중 측정 범위 전류계(접속하는 단자에 따라 측정 범위가 0~3A(암페어), 0~0.6A로 나뉨)다. 전류계를 사용할 때는 회로에 직렬로 연결해서 전류가 기기의 양극(+) 단자로 들어가 음극(-) 단자로 나오도록 해야 한다. 또한 전류계의 최대 측정 범위를 넘는 전류를 측정해서는 안 된다. 그럴 경우 전륫값을 측정할 수 없을 뿐만 아니라 바늘이 휘거나 심한 경우에는 전류계가 타 버릴 수도 있다.

전압: 전압은 회로 중에서 자유 전하가 일정 방향으로 이동해 전류를 형성하는 원인으로 ‘전위차’라고도 한다. 회로 속 전류는 물과 비슷한 흐름을 보인다. 물이 흐르려면 수압이 필요하듯 전류가 흐르려면 전압이 필요하다. 회로에서 전압을 제공하는 장치인 전원은 수압을 발생시키는 양수기와 비슷하다. 건전지, 납축전지, 리튬 전지는 모두 직류 회로에서의 전원이다.

회로 중에 전원(또는 회로 양 끝에 전압 V가 있음)이 있고, 회로가 연결되어 있으면 지속적으로 전류를 얻을 수 있다. 전압의 SI 단위는 볼트(V)이고 상용 단위로는 킬로볼트(kV), 밀리볼트(mV), 마이크로볼트(㎶) 등이 있다. 1kV = 1,000V, 1V = 1,000mV = 10^6㎶이다. 건전지 양 끝단의 전압은 1.5V이고, 축전지 양 끝단의 전압은 2V, 가정용 회로의 교류 전압은 220V이며, 공장에서 사용하는 전력 회로의 교류 전압은 380V이다.

저항: 물체는 ‘도체, 절연체, 반도체’로 나뉜다. 이는 어떤 성질에 따라 분류한 것일까? 전기 연구를 시작한 이래, 인류는 회로 속에서 각종 물질의 전류에 대한 영향을 실험했다. 그 결과, 물질마다 전기 전도성이 다르다는 결론을 얻었다. 전기 전도성이 좋은 물질을 ‘도체’라고 하고 전기 전도성이 나쁘거나 전도성이 없는 물질을 ‘절연체’라고 하며, 전도성이 도체와 절연체 사이에 있는 물질을 ‘반도체’라고 한다. 전도성의 좋고 나쁨을 나타내기 위해 저항과 전기 저항률(비저항)의 개념이 도입됐다.

저항은 도체 자체의 성질로 도체 전도성을 표현하는 물리량이다. 금속은 저항률이 작은 편이라서 도선을 만들기에 적합하다. 흔히 볼 수 있는 금속 도체 중에서 전도성이 가장 좋은 것은 은이지만 가격이 비싸기 때문에 일반적으로는 은 대신 전도성이 비교적 우수한 구리, 알루미늄을 사용한다. 도체와 절연체를 구분하는 절대적인 기준은 없다. 조건에 따라 절연체의 전도성이 강해져 도체로 변할 수도 있다. 예를 들어 습기를 잔뜩 머금은 목재나 시뻘겋게 가열된 유리가 그러하다.

외르스테드 실험과 전류의 자기 효과 - 전기와 자기의 연관성(1)

사람들은 오래전부터 전기 현상과 자기 현상에 비슷한 점이 많음을 알고 있었다. 전기와 자기 사이에 어떤 신비한 관계가 있음을 증명하는 사건들도 많았다.

1681년 7월, 대서양을 항해 중이던 상선이 벼락을 맞았는데 배에 있던 나침반 세 개가 모두 고장 났다. 그중 두 개는 자성이 없어졌고 나머지 한 개는 자침의 남북 방향이 바뀌었다. 1731년 7월, 영국의 한 상인은 벼락이 친 뒤 금속으로 만들어진 식기가 자성을 띤다는 사실을 발견했다. 1751년, 미국 물리학자 프랭클은 라이덴병(대전된 입자를 추적하여 방전 실험을 실행하는 장치)을 방전시키면 근처에 있는 바늘이 자화되는 것을 발견했다. 이후 수많은 과학자들이 전기와 자기의 연관성을 찾기 위해 고군분투했다. 그리고 19세기 초, 마침내 소기의 성과를 거두게 되었는데 이를 상징하는 것이 바로 외르스테드 실험이다.

1820년 4월의 어느 날 저녁, 덴마크 물리학자 외르스테드는 학생들 앞에서 전기학 실험을 시연하다가 우연히 전류가 흐르는 도선 가까이에 있는 작은 자침 하나가 흔들리는 것을 발견했다. 자침의 흔들림이 명확하지 않았기 때문에 학생들은 대수롭지 않게 생각했지만 외르스테드는 무척 기뻐했다. 전류가 자기장을 만들 수 있음을 증명할 수 있는 결정적인 증거를 마침내 찾은 것이다!

그 후 외르스테드는 수십 차례에 걸쳐 반복 실험을 한 끝에 전류가 흐르는 도선 근처에 동심원 모양의 자기장이 형성된다는, 다시 말해 전류에 의해 자기장이 만들어진다는 사실을 증명했다. 외르스테드는 이 실험 성과를 <전류가 자침에 미치는 영향에 관한 실험>이라는 제목의 논문으로 프랑스의 《화학과 물리학 연감》에 발표했다. 단 네 장짜리 이 논문에는 수식도, 개요도도 없었지만 간결한 글 몇 줄로 인류가 마침내 전기와 자기의 전환 관계를 알아냈음을 전 세계에 알렸다. 외르스테드의 연구 성과에 온 과학계가 환호했다. 물리 교사 경력이 있는 프랑스의 유명한 생물학자이자 《파브르 곤충기》의 저자 파브르는 “기회는 준비된 자에게 찾아온다.”라고 말했다. 우연으로 보일 수도 있는 발견이었지만 13년 동안이나 전기와 자기의 연관성을 연구해 온 외르스테드에게는 필연적인 성과였다.

전류의 자기 효과를 응용한 전형적인 사례는 전자석과 전자 계전기다. 전류가 흐르는 도선을 나선형으로 감고, 가운데 빈 부분에 적합한 철심을 꽂으면 전자석이 만들어진다. 전류가 흐르는 나선형 관 안에 꽂은 철심은 나선형 관의 자기장에 의해 자화되며 자화된 이후의 철심도 자성체가 된다. 이렇게 되면 자기장 두 개가 겹쳐져 자성이 훨씬 강해진다. 전자석은 전류를 끊으면 자성을 잃고, 전류가 흐르면 자성을 가진다.

자성의 세기는 전류 세기, 코일의 감긴 수 등에 의해 달라진다. 영구 자석에 비해, 전자석은 전류 방향을 통해 자기극을 제어할 수 있고, 전류를 통해 자성 유무를 제어할 수 있으며, 전류 세기를 통해 자성의 세기를 통제할 수 있다는 등의 장점이 있어 광범위하게 사용된다. 예를 들어 전자석 기중기는 강철 자재를 옮기는 장비인데 전자석이 발생시키는 강력한 자기력을 이용해 많은 양의 무거운 자재(철판, 철사, 쇠못, 폐철 등)를 따로 묶을 필요 없이 모아서 옮길 수 있다. 이는 제강, 폐강철 회수 작업을 대폭 간소화시키는 장비다.

어떻게 자기에서 전기를 생성할까? - 전기와 자기의 연관성(2)

전기와 자기는 연관돼 있다. 전기는 자기장을 형성할 수 있는데 자기는 전기를 만들어 낼 수 있을까? 이는 외르스테드 실험 이후 과학자들의 연구 열정을 자극하는 문제가 되었다. 1821년, 전자기 회전 실험의 성공으로 패러데이는 이 문제를 해결할 수 있다고 확신했다. 사물의 구조가 대칭이라고 믿었기 때문이다. 게다가 더 중요한 이유가 있었다. 그 당시 사람들은 주로 볼타 전지로 전류를 얻었는데 볼타 전지는 제조 원가가 너무 비싼 데다 전력도 부족했기 때문에 전류를 생산하는 새로운 장치를 만들어 낸다면 여러 분야의 발전에 크게 이바지할 터였다. 그래서 패러데이는 10년 동안 꿋꿋이 연구에 매진해 마침내 노력에 대한 정당한 대가를 받게 되었다.

1831년 11월 말, 패러데이는 논문을 작성해 영국왕립학회에 실험 결과를 보고했다. 여기에는 변화된 전류, 변화된 자기장, 운동하는 정상 전류, 운동하는 자석, 자기장 속에서 운동하는 도체, 이 다섯 가지 전류를 발생시키는 조건이 기술되어 있었다. 패러데이는 이 현상을 ‘전자기 유도’라고 불렀고 이때 생성된 전류를 유도 전류라고 한다.

전자기 유도의 조건에 대해 이렇게 간결하게 설명할 수 있는 것은 ‘자속’이라는 개념을 썼기 때문이다. 자속은 자기력선의 개수인데 자속의 변화 유무는 전자기 유도 현상 발생 유무를 판단하는 근거가 된다. 코일이 균일 자기장에서 상하 또는 좌우로 이동할 경우에는 자속이 변하지 않기 때문에 유도 전류가 생기지 않는다. 그러나 코일 면적이 커지거나 작아지면 자속이 변해 유도 전류가 발생한다.

이러한 전자기 유도 현상을 응용한 최고의 발명품은 바로 발전기라고 할 수 있다. 패러데이는 전자기 유도 현상을 발견하고 얼마 지나지 않아 이 현상을 이용해 세계 최초의 발전기인 ‘패러데이 원반 발전기’를 발명했다. 이 발전기는 U자형 말굽자석의 자기장 속에 구리 원반을 놓고 원반의 가장자리와 중심(크랭크가 고정되어 있음)에 각각 구리 브러시를 밀착시키고 브러시와 전류계를 도선으로 연결했다. 크랭크를 돌려 구리 원반을 회전시키면 전류계의 바늘이 기울기 시작한다. 이는 회로에 지속적인 전류가 생겨났음을 의미한다. 이처럼 역학적 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 장치인 발전기는 일상생활과 생산 현장에서 광범위하게 사용되고 있다.

전자기 유도 현상은 그야말로 획기적인 발견이었다. 이로써 전기와 자기의 본질적인 관계가 더 확실히 밝혀졌고, 역학적 에너지와 전기 에너지 사이의 전환 방법도 찾아냈다. 실생활에서 다양하게 응용되면서 전기가 핵심 에너지가 되는 전기화 시대의 서막을 열었다.



02 소리와 빛



한밤 종소리 나그네 배까지 들려오네 _ 음파

소리란 무엇인가?: ‘소리’가 무엇인지 모르는 사람은 없을 테지만 소리의 ‘정의’가 무엇이냐는 물음에 시원하게 답하기란 쉽지 않을 것이다. 음파는 진동 음원에서 출발해 순차적으로 하나의 미립자에서 다른 미립자로, 일정한 속도로 각 방향을 향해 전파된다. 기체, 액체, 고체 미립자는 모두 소리를 전파하는 매질이 될 수 있다. 매질이 없으면 소리는 전파되지 않기 때문에 진공 상태에서는 소리를 전달할 수 없다. 사람의 귀에 들리는 소리는 공기를 통해 전달된다. 물고기는 액체 전파를 통해 소리를 듣는다. 땅바닥을 기어 다니는 뱀은 고체 전파를 통해 소리를 듣는다.

소리는 각각의 매질에서의 전파 속도가 서로 다르다. 소리의 전파 속도(음속)는 매질의 종류, 온도, 밀도 등의 요소와 관련이 있다. 동일한 매질이더라도 온도가 다를 경우, 소리의 전파 속도도 달라진다. 일반적으로 소리는 고체 속에서 전파 속도가 가장 빠르고 그다음이 액체이며 기체에서 전파 속도가 가장 느리다.

음파의 반사, 굴절, 회절: 음파는 ‘파동’의 하나로 반사, 굴절, 회절 등 파동의 기본 특징을 가지고 있다. ‘고함을 질렀더니 산골짜기가 대답하네.’ 이는 소리가 산골짜기 사이에서 여러 번 반사되면서 메아리를 형성했다는 뜻이다. 사람들은 오래전부터 소리의 반사에 의한 메아리 현상을 연구하고 이를 실생활에 이용했다. 1912년, ‘절대로 침몰하지 않을 배’라고 불린 영국의 여객선 ‘타이타닉호’가 첫 항해에서 미국으로 향하던 중 빙산에 부딪혀 침몰하는 비극이 발생했다. 전 세계의 이목이 집중된 가운데, 미국 과학자들은 침몰한 타이타닉호를 찾기 위해 수중 목표물을 탐측하는 음파 탐지기를 만들었다. 먼저 배 위에서 음파 탐지기로 음파를 내보낸 뒤, 장애물에 부딪혀 반사된 음파 신호를 받아 두 신호 사이의 시간차를 측정했다. 수중 음속을 통해 장애물까지의 거리와 해저 수심을 계산할 수 있다. 또한 1914년에는 세계 최초의 빙하 탐지기가 3,000m 밖의 빙산을 측정하는 데 성공했다. 이것이 군사, 해양 개발 분야에 광범위하게 쓰이는 소나의 초기 모델이다.

당시(唐詩) 중에 “고소성 밖에 한산사 있어 한밤 종소리가 나그네 배까지 들려오네!”라는 시구는 낮보다 밤과 새벽에 종소리가 더 잘 들린다는 사실을 말해 준다. 왜 그럴까? 밤과 새벽은 조용해서 시끄러운 낮보다 소리가 더 잘 들린다고 답하는 사람도 있을 것이다. 물론 이 말도 일리가 있지만 주된 원인은 소리가 ‘방향을 바꾸기 때문’이다. 소리는 성질이 괴팍해서 온도가 균일한 공기 속에서는 똑바로 전파되지만 공기 온도가 서로 다른 곳에서는 온도가 낮은 곳만 골라 다니기 때문에 소리의 ‘방향이 바뀌게’ 된다. 이것이 소리의 굴절 현상이다. 낮에는 태양이 지면을 데워 지면에 가까운 공기가 상공의 온도보다 높다. 낮에는 종소리가 얼마 가지도 않은 지점에서 온도가 더 낮은 공중으로 방향을 튼다. 그래서 일정 거리 밖의 지면에서는 종소리가 희미하게 들리고, 그보다 더 먼 곳에서는 아예 종소리를 들을 수가 없다. 반면 밤과 새벽에는 낮과 달리 지면의 기온이 공중의 기온보다 낮기 때문에 종소리가 온도가 낮은 지면을 따라 전파되기 때문에 멀리 있는 사람의 귀에도 똑똑히 들리게 된다.

‘벽에도 귀가 있다’는 말이나 ‘소리는 들리는데 사람은 보이지 않는’ 경우는 소리의 회절 현상과 관련이 있다. 회절은 파동이 전파 도중에 장애물을 만나면 장애물을 에워싸며 뒤쪽으로 돌아 나가는 현상을 뜻한다. 모든 파동은 회절 성질 또는 회절 능력이 있다. 파동이 회절하려면 장애물의 크기가 파장과 비슷하거나 파장보다 더 작아야 한다.