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전기일으키기
 Science Column
신나는 과학 칼럼
작성자 류성철
작성일 2007/01/17 (수)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 5248      
전기일으키기
류성철

기원전 600년경 그리스의 철학자 탈레스는 발틱해 연안에서 발견된 호박에 털가죽을 문지르면 실 솜털 머리카락 같은 것이 끌려오는 것에 주목하였다. 호박을 당시에는 일렉트론이라고 했다. 이처럼 당기는 힘을 전기라고 부른 것은 영국의 길버트이다. 그는 처음으로 자기를 연구하기 시작했으며 잡아당기는 힘을 그리스 이름에서 따와 전기(electricity)라고 불렀다. 길버트는 호박외에 유리와 같은 물질도 문질러 주면 전기적 성질을 가진다는 사실을 발견하였다.
프랭클린은 위와 같은 현상이 흐름에 의해 만들어 진 것이라는 설을 제시하였다. 유리를 문지르면 전기가 유리로 흘러들어가 양으로 대전되고 호박을 문지르면 호박에서 전기가 흘러나와 음으로 대전된다는 것이다. 그리고 음으로 대전된 막대와 양으로 대전된 막대가 서로 접촉하면 두 막대가 중성이 될 때까지 전기의 흐름이 양에서 음으로 일어난다는 것이다. 1740년 프랑스의 데사글리는 금속과 같이 전기적 흐름이 잘 통하는 물체는 '전도체'로 유리나 호박같이 전기가 자유로이 움직일 수 없는 물체는 '절연체'로 부르자고 제안하였다.
실험을 통해 전도체를 유리나 공기로 절연시키는 경우 많은 양의 전하를 저장할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이것을 이용한 발명품 중 가장 유명한 것이 라이덴병이다. 라이덴병은 오늘날의 축전기와 비슷한 것으로 2개의 금속판 사이에 두꺼운 절연체를 넣어 다량의 전기를 저장할 수 있게 한 것이다. 대전된 라이덴 병에 손을 대면 전기 충격에 놀라게 될 것이다. 형광등을 갖다대면 순간적으로 형광등에 불이 들어온다. 라이덴 병은 전기 스파크도 일으키는데 전하가 많이 저장될수록 전하를 잃기 쉬워지는데 만약 전하가 충분히 저장되어 전위가 충분히 높으면 전자는 양극과 음극 사이에 있는 절연체를 뛰어넘을 수 있으며 이 때 밝은 불꽃과 타다타닥하는 소리가 난다. 스파크의 불꽃은 전기가 공기 분자와 충돌하여 생기는 것이고 소리는 가열된 공기가 팽창하면서 순간적으로 생긴 진공으로 찬 공기가 밀려들어오면서 나는 것이다.
라이덴병에서 발생하는 스파크를 보고 사람들은 천둥과 번개도 이와 비슷한 현상이 아닐까 하고 생각했으며 이 생각은 프랭클린에 의해 그 유명한 실험을 하게 하였다. 프랭클린은 뽀족한 철사가 달린 연을 명주실에 연결하여 천둥 구름 속의 전기가 흘러내릴 수 있게 한 다음 폭풍우 속에서 연을 날렸다. 프랭클린이 명주실을 묶은 금속 열쇠에 손을 가져가자 스파크가 일어났다. 프랭클린은 연을 구름에 다시 띄워 대전시킨 후 연줄을 통하여 라이덴병 2개를 대전시켰다. 이것으로 프랭클린은 천둥 구름이 전기로 대전된 것이며 천둥과 번개는 구름 속에 있는 일종의 라이덴병이 한 극을 이루고 땅이 다른 한 극을 이루어 이에 의한 효과로 생기는 것임을 입증하였다. 이 실험에서 다행스러운 일은 그가 살아남을 수 있었다는 사실이다. 왜냐하면 뽀족한 철사로 모인 치명적인 양의 전하가 연을 잡은 사람의 몸으로 반전되어 죽을 수 있기 때문이다. 프랭클린 이후의 여러 과학자들이 같은 실험을 시도하다가 실제로 죽은 경우가 있다.
그로부터 전기에 대한 새로운 연구의 진척이 있었다. 정전기처럼 순간적으로 흐르는 것이 아니라 '전류'라고 하는 지속적인 전기의 흐름을 발견한 것이다. 즉 전류에 대한 연구는 이탈리아의 해부학자 갈바니에 의해 시작되었다. 그는 우연히 절단된 개구리 뒷다리 근육에 2개의 다른 금속을 동시에 대면 그 근육이 수축한다는 것을 발견하였다. 이런 사실을 바탕으로 이탈리아의 물리학자 볼타는 근육조직이 아닌 간단한 용액에서 서로 다른 두 종류의 금속을 담그는 것에 대해 연구하였다. 액체가 흘러넘치는 것을 피하기 위해 소금물을 적신 종이를 사이에 끼우고 구리판과 아연판을 교대로 차곡차곡 쌓아올렸다. 구리 종이 아연 종이 구리 아연의 순으로 쌓아올린 더미에서 전기가 계속 흘러나왔다. 이것을 우리는 '전지'라고 한다. 화학적 반응이 전자를 이동시킨다는 것과 전류를 전자의 이동과 흐름으로 설명하기까지는 한 세기 이상의 시간이 걸렸다. 그러나 전류의 모든 것을 자세히 알지 못한 상태에서도 사람들은 전류를 이용할 수 있었다.
전기가 대량으로 생산되기 시작한 것은 19세기의 반이 지난 후부터인데 그것은 전지를 이용한 것이 아니었다. 1830년대 초 패러데이는 자석의 자기력선을 가로질러 도체를 움직이게 함으로써 전기를 얻을 수 있었다. 이것으로 운동에너지를 전기로 전환시키는 발전기를 만들게 되었으며 운동에너지는 연료를 태워 얻을 수 있는 증기력으로 얻을 수 있었으며 석탄이나 석유 혹은 나무의 연소에너지를 전기로 전환시킬 수 있게 된다. 1884년에는 아주 크고 대략적인 발전기가 동력원으로 사용되기 시작했다. 그러나 보다 강력한 자석의 필요에 의해 전자석이 발명되었다. 전자석의 발견은 보다 나은 발전기를 위한 커다란 발견이었다. 또 1872년에는 독일의 전기 기술자 알테넥이 처음으로 효율성이 큰 발전기를 설계하였으며 마침내 연료의 연소뿐만 아니라 떨어지는 물의 낙차를 이용하여 값싼 전기를 대량으로 생산할 수 있게 되었다.
전기를 공학에 응용시킨 초기의 업적 중 가장 뛰어난 것은 헨리에 의한 것이었다. 전기분양에서 헨리의 가장 중요한 업적은 전동기의 개발이다. 헨리는 돌아가는 바퀴가 전류를 발생시키는 것처럼 전류도 바퀴를 돌아가게 할 수 있다는 것을 보여 주었다. 그리고 전동기는 기계를 돌리는데 사용되었다. 전동기는 아무 곳에나 가지고 갈 수 있고 필요한 때에 작동시킬 수 있으며 원하는 만큼 작게 만들 수도 있다. 이제 문제가 되는 것은 전기를 발전되는 곳에서 전동기를 사용하는 장소까지 전기를 수송하는 문제이다. 전기를 전선으로 수송할 때는 열로 방출되는 전기에너지의 손실을 줄일 방법을 찾아야 한다. 그 한 가지 해결책이 변압기이다. 전류를 가지고 실험하던 사람들은 전류를 낮은 비율로 전달하면 손실이 훨신 적다는것을 발견하였다. 그래서 발전기에서 출력시킬 때 변압기를 사용하여 전압을 3배가량 높이면 전류는 3분의 1로 줄어든다. 그리고 변전소에서 다시 전압을 낮추어 주면 전류는 전동기에 적합한 양만큼 늘어나게 된다.
변압기는 2차 코일의 유도전류로 높은 전압을 만들어 내는 것이다. 유도전류를 흐르게 하려면 2차 코일을 통과하는 자기장의 세기가 변해야 한다. 직류는 이런 작용을 할 수 없으므로 변압기에 사용될 전류는 교류이어야 한다. 그런데 에디슨은 직류를 선호하였다. 1882년 뉴욕에 처음으로 변전소를 세워 자신이 발명한 전구에 필요한 전류를 공급하였다. 그는 위험하다는 이유로 교류의 사용을 반대했다. 그러나 에디슨 연구소의 기사로 일했던 테슬라는 맹렬히 에디슨을 비난하였으며 이로 인해 푸대접을 받았다. 1888년 테슬라는 성공적으로 교류체계를 발전시켰으며 웨스팅하우스는 1895년 교류이론을 근거로 하여 나이아가라 폭포의 발전소 개발권을 얻어냄으로써 에디슨에게 치명적인 일격을 가하였다. 오늘날 교류는 거의 모든 동력 공급체계로 사용되고 있다. 1966년 제너럴 일렉트릭사의 공학자들은 오랬동안 불가능하게 여겨졌던 직류 변압기를 만들었다. 그러나 이 직류변압기는 액체 헬륨 정도의 낮은 온도를 필요로 하고 효율이 낮았다. 이론적으로는 멋진 것이었으나 상업적으로 사용될 가능성은 거의 없었다.
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