자기와 전기

우리가 어디에 어떤 자세로 있든 무엇인가와 접촉해 있는 상태이다. 최소한 여러분이 입고 있는 옷과 접촉해 있다고 말할 수 있다.  혹은 최소한 여러분이 입고 있는 옷과 접촉해 할 수 있을 것이다.  원자를 작은 구슬이라고 본다면, 전자들이 구슬의 바깥층을 이루고 있을 것이다. 그리고 이 전자들은 전기적으로 음성을 띠고 있다. 여러분의 피부가 의자과 가까워지면  피부의 맨 바깥층을 이루는 원자 및 분자들은 그 전자들을 시작으로 서로 가까워지게 된다. 일정 거리를 지나 전자들이 충분히 가까워지면 전자들의 전하가 상호작용을 시작한다. 쿨롱법칙 때문에 전자들끼리 서로 밀어내는 것이다. 그러므로 물질은 접촉을 허용할 수가 없다. 고대로부터 쇠를 끌어당기거나 밀어내는 마법의 힘을 가진 신비한 돌에 주목해 왔다. 그 돌은 신기한 힘을 쇠에 전해줄 수도 있다. 그 돌을 마그네타이트로 부르게 되었다. 1000년경에 중극인들은 자기를 띠는 쇠바늘을 이용하면 방향을 알 수 있다는 사실을 처음으로 알아냈다. 유럽에 나침반이 등장한 것은 그로 부터 200년이 더 지난 뒤의 일이다.

 

프랑스학자 피에르 드 마라쿠르가 자석의 속성과 작용을 연구하기 시작한 것은 다시 또 여러해가 지난 뒤의 일이다. 마리쿠르는 자기의 기본법칙들을 논리적으로 순서에 따라 소개했다. 그는 항상 지구의 남극와 북극을 가리키는 나침반에서부터 출발하여 나침반 바늘의 양끝으로 자석의 양극을 설명했다. 나침반 바늘의 S극은 지구에서 N극 성질을 띠는 남극을 가르키고, 나침밤 바늘 N극은 그 반대 방향을 가리키는 이유가 바로 그 때문이라는 결론을 이끌어냈다. 자기의 관점에서 보면 전자는 N극과 S극을 가진 작은 자석과도 같은데,  전자가 가지는 자석효과는 원자의 구조에 따라(정확히는 원자내 전자의 개수와 배치에 따라) 상쇄될 수도 있고, 되지 않을 수도 있다. 각각의 전자는 그 주위로 자기적 힘, 즉 자기장을 만든다.  자기장은 자석의 영향력이 작용하는 공간으로 전자의 경우 그 자기장은 전자와 아주 가깝게 형성된다.

 

원자들이 완전히 임의적인 방식으로 자기적 방향을 잡을 수도 있고,  혹은 반대로 모든 원자가 완벽히 같은 방향을 취할 수도 있으며, 또 전체가 아닌 부분적으로만 같은 방향을 향할 수도 있다.  원자들은 에너지를 가능한한 적게 써서 안정적인 배열을 이루는 방식으로 움직인다. 자연은 말도 못하게 게으르기 때문 이다. 자석에는 두가지 유형이 있다. 어떤 상황에서도 자석인 보통 자석과 전기가 흐를 때만 자석이 되는 전자석이 있다. 전기는 전하를 띠는 입자들이 그처럼 서로 끌어당기거나 밀어내는 움직임에 따른 결과이다. 그리고 전도체는 원자의 전자들이 어느 한 원자에서 다른 원자로 이동할 수 있는 구조의 물체를 말한다. 전도성 사슬안에서 이동하는 전자들의 흐름은 파이프 안을 흐르는 물과 비슷하다.  백열전구에서 필라멘트는 전기회로에 속한다. 다시 말해서 필라멘트 안에서 전자들이 이동할 수 있다는 것이다. 전도성이 떨어지는 필라멘트 안을 전자들이 지나가는데 애를 먹게 되고,  필라멘트의 구성원자들 과도 자꾸 부딪힌다. 전자들이 필라멘트의 원자들을 진동하게 하고, 그 결과 필라멘트가 가열되는 것이다. 이때 전구에 들어있는 특별한 기체는 그 빛을 부분적으로 퍼지게 하는 동시에 필라멘트가 타는 것을 막아준다.

 

이탈리아 물리학자 알레산드로 볼타는 전기에 관심이 많았다. 그는 정전기를 발생시키는 기계에 많은 관심을 기울였고,  1781년에 동물전기라고 불리는 현상을 발견한 이탈리아 물리학자 루이지 갈바니의 연구에도 관심을 기울였다.  개구리 다리에 서로 다른 금속판 두 개를 연결했을 때 개구리 다리가 수축을 일으키는 이유가 동물이 가진 전기 때문이라고 보았다. 볼타는 개구리 다리 대신 염도가 높은 물에 적신 헝겊을 이용해서 같은 실험을 했고, 그 결과 전기는 두 금속 사이의 전하 교환으로 발생한다는 사실을 확인했다. 아연판과 은판을 소금물에 적신 판지와 함께 번갈아 겹겹이 쌓아올린 장치로, 원기동처럼 생긴 장치의 양끝에는 안정된 전압이 나타났다. 이 장치가 바로 건전지의 조상격인 볼타 전자이다. 한쪽 전극(양극, 즉 전지에서 전류가 흘러나가는 쪽)에서는 산소가 발생하고, 다른쪽 전극(음극)에서는 수소가 발생했음이 확인 되었다.  전기에 의해서 물 분자가 쪼개진 것이다.  이것이 물의 전기분해로 이 현상은 전기에너지를 화학에너지로 바꿀수 있다는 증거이기도 했다. 전도체 안에서 전하의 움직임이 없을 때를 두고 '정전기'라고 말한다. 호박을 문질렀을 때 발생하는 것이 정전기다. 정전기든 일반적인 전기를 말하는 동전기든 간에 전기가 있으면, 그 주위로 전기의 영향을 받는 공간이 생기며, 바로 이 공간을 전기장이라고 부른다. 이때 전기장의 입자들이 정지상태에 있으면 정전기장, 입자들이 움직이고 있으면 동전기장이 된다.

 

적란운은 구름의 상부와 하부의 온도 차이가 크다. 그 결과 구름내부에서 질량의 이동이 크게 일어나는 데 이러한 이동을 대류라고 한다. 적란운에서 온도가 낮은 곳에는 우박과 싸락눈이 공기중에 떠다니는 먼지와 함께 들어있다. 대류가 일어나면 이 입자들은 서로 부딪히게 되고, 이로써 마찰대전(절연체와 전도체를 마찰 시켰을 때 일어나는 현상) 효과를 유발한다. 따라서 적란운에는 전기를 띠는 물질들이 모여있다고 볼 수 있다. 적란운 상부에는 양전하의 90%가 하부에는 90%의 음전하가 모인다. 구름 주위로 커다란 전기장이 형성되는 것이다.  이때 적란운 주위 공기는 다른 절연매질과 마찬가지로 절연내력을 가진다.  즉 전기장을 허용하는 한계가 있고, 그 선을 넘어가면 아크방전이 발생하면서 전기가 흐르게 된다는 뜻이다. 구름에 전기가 충분히 쌓여 주위 공기의 절연내력을 넘어설 경우, 구름은 지면을 향해 공기중으로 방전을 한다.  이 방전은 주변공기중의 분자들에서 전자를 가져오는데, 그 결과 양의 전기를 띠는 일종의 통로가 만들어진다. 그러면 구름에 있던 전하의 아주 적은 일부가 그 통로를 따라 초속 200킬로미터 속도로 지나가게 되고, 끝에 이르면 같은 현상이 또 일어나면서 공기의 부분적 성질(압류, 기류, 온도)과 전하가 지나가는 데 필요한 에너지에 따라 여기저기에 가지를 치듯이 길이 만들어진다. 폭풍우가 불 때, 지면 가까이에는 양의 전하가 쌓이면서 같은 현상이 일어난다. 대신 이번에는 아래에서 위로 통로를 내면서 말이다.  그리고 그 두 통로, 즉 하나는 아래로 향하고,  또 하나는 위로 향하는 두 통로가 서로 만나면, 여러갈래의 길에서 완전방전이 일어나면서 아크방전이 나타나는데 이것이 바로 벼락이다. 벼락을 부르는 방전은 플라스마도 만드는 데, 이 플라스마가 흩어질 때 발생하는 빛과 공기의 갑작스러운 팽창이 각각 번개와 천둥에 해당한다.

 

윌리엄 길버트는 ‘자석에 관하여’에서 정전기 현상을 말하기 위해서 일렉트릭이라는 용어를 처음 제안했다.

 " ‘중력과 유사한 힘이 있다고 해보자...  대신 힘의 세기는 중력보다 약 10억배의 10억배의 10억배는 더 강하다. 그 힘에는 우리가 각각 양성과 음성이라고 부를 수 있는 두 종류의 물질이 존재한다. 이 물질들은 같은 종류끼리는 서로 밀어내고 다른 종류끼리는 서로 끌어당긴다....  그 힘이 바로 전기력이다. 그러나 균형이 아주 완벽해서 여러분이 다른 누군가의 가까이에 있어도 여러분은 아무 힘을 느끼지 못한다. ...’ ( 리처드 필립스 파인먼) 

전기와 자기는 사실 자연에 존재하는 동일한 상호작용의 양면에 지나지 않는다.