전기이야기 속의 "마이클 패러데이"

전기에 관해 관심이 많아 알아보는 과정에서 패러데이에 대해 관심이 생겼습니다. 학교 다닐 때는 패러데이의 법칙만 배웠는데, 어려운 형편 가운데서도 자기 꿈을 이룬 사람이었습니다.  좀 더 자세히 패러데이에 대해 알고 싶었는데, 마침 많은 내용이 포함된 책을 보게 되어 그 내용을 담아보려 합니다.

책 [열정과 야망의 전기 이야기]
대영사 출판 / 김석환 저

아래의 내용은 책의 일부입니다. 더 자세한 내용을 알고 싶으면 책을 참고해주세요.

전문가는 자기 분양의 혁신적인 발견을 하기 어렵다는 말이 있다. 생각이 자기 지식의 틀 속에서 좀 처럼 벗어나려 하지 않는다는 말인데, 그래서인지 '정상적인 교육'을 받지 못한 사람으로부터 큰 발견이 나오는 경우가 종종 생긴다.

지금 설명하려는 큰 발견 역시 가난한 집에서 태어나 초등 교육 밖에 받지 못한 패러데이에 의한 것이다. 패러데이는 초등 교육 밖에 받지 못했지만 과학에 관심이 많았고 책방에서 일하면서 많은 과학책을 읽었다. 그리고 아크등으로 유명한 데이비 교수의 강연이 있다는 소식을 듣고 달려간다. 강연 자리에서 인사를 한 후, 비서로 써 달라는 편지를 보냈다

마침 빈자리가 생겨서 데이비 연구실에 취직을 하긴 했지만, 패러데이가 맡은 일은 실험실 청소와 실험 기구 관리였다. 패러데이는 잡일을 하면서 데이비에게 멸시를 당하기도 했지만 연구에 대한 정열을 잃지 않았고 드라마 같은 과정을 거쳐 결국은 화학과 교수까지 되었다.

외르스테드, 앙페르 등은 전류가 자기를 발생시킨다는 것을 알아내었다. 그렇다면 자기가 전류를 발생시킬 수도 있다는 것이 패러데이의 생각이었다.

그래서 전선에 아주 작은 전류도 측정할 수 있는 검류계를 달고 선 주위에 자석을 갖다 놓았지만 검류계의 바늘은 움직이지 않았다. 그는 거기서 포기하지 않고 더 자석을 더 강한 것으로 바꾸고 선을 코일 모양으로 감아도 보고 자석 대신 코일을 사용해 보는 등 여러 가지 시도를 해 보았다.

연구를 시작한 지 10년째 되던 1831년 패러데이는 드디어 전류를 측정하는 데 성공했다. 그런데 결과는 생각했던 것과는 좀 차이가 있었다. 전선 옆에 자석을 붙여 놓는다고 해서 전류가 생기는 것이 아니라, 자석이 움직일 때에만 전류가 생기는 것이었다. 그리고 자석이 움직이는 방향을 반대로 하면 전류의 방향도 반대로 되었다. 즉 자석을 넣을 때와 뺄 때의 전류의 방향은 반대가 되었다.

코일에 전류를 흘리면 자기장이 발생한다. 그렇다면 전류가 흐르는 코일을 움직여도 자석을 움직이는 것과 같은 결과를 얻을 수 있을 것이다. 한걸음 더 나아가서 패러데이는 전류가 흐르는 코일을 가까이 가져가는 경우와 코일에 흐르는 전류를 증가시키는 경우는 같은 결과가 될 것이라고 생각했다. 물론 코일을 멀어지게 하는 것과 전류를 감소시키는 것도 같은 결과가 될 것이다.

실험해본 결과 패러데이는 코일 두 개를 나란히 두고 한 코일에 전류를 흘릴 때 첫 번째 코일의 전류가 변할 때 만 두 번째 코일에 전기가 발생했는데, 첫 번째 코일의 전류가 늘어날 때와 줄어들 때의 두 번째 코일의 전류 방향은 반대가 된다는 것을 확인할 수 있었다.

이것을 패러데이의 전자기유도 법칙(Induction Law)이라고 한다. 그냥 패러데이의 법칙이라고 부르지 않는 이유는 패러데이가 발견한 법칙이 또 있기 때문인데, '패러데이의 전기분해 법칙'이 그것이다.

패러데이는 그의 법칙을 수학적으로 나타내지 못했다. 패러데이는  초등 교육밖에 받지 못했기 때문에 수학을 몰랐던 것이다. 그러나 그는 수학에 능한 사람도 하지 못한 간단하면서도 직관적인 자기에 대한 설명을 만들어 냈다. 자석 또는 전류의 주위에 자기력선이 생기는데, 자기력선은 서로 교차되지 않으며, 자기력선이 밀집할수록 자기장이 더 강해진다는 것이 그의 자기에 대한 철학이었다.

수학에 능한 학자들이 미적분을 동원한 어려운 수식을 사용하여 현상을 설명하려고 하고 있을 대 패러데이는 텅 빈 공간에 수많은 '힘의 선'이 지나가는 그림을 그렸다. 이 개념은 "붙어있지도 않은 두 자석이나 전선이 어떻게 서로 영향을 미치는가?"라는 질문에 대해 설명할 수 있는 개념인데, 이것이 지금도 사용하고 있는 장(field)의 개념이다.

패러데이에 의하면 자석이나 전류가 흐르는 전선의 주위에는 자기력선이 생긴다. 자석이 강하거나 전류가 많이 흐를수록 (코일에 전류를 흘릴 경우 코일을 많이 감아도) 더 많은 자기력선이 발생될 것이다. 자기력선이 있는 곳에 코일이 있다면 코일의 내부에도 자기력선이 지나가게 되지만 이 상태에서는 코일에 아무 일도 일어나지 않는다.

코일 내부를 통과하는 자기력선의 개수가 변하면, 변하는 동안 코일에 전압이 발생하게 되는데, 변화가 급격할 수록 더 높은 전압이 발생된다. 자기력선이 많아질 때 발생되는 전압과 적어질 때 발생되는 전압의 방향은 반대가 된다. 자기장의 방향이 반대가 되어도 전압의 방향이 반대가 된다.

자기장이 늘어날 때의 전압 방향은 반대 방향 자기장이 줄어들 때의 방향과 같다. 이와 같이 전압이 발생되는 방향만 생각해도 상당히 복잡해지는데, 이 방향을 알기 쉽게 정리한 것이 "자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전류가 흐른다"라는 렌츠의 법칙이다. 패러데이의 전자기 유도법칙에 대해서는 뒤에 설명한다.

"패러데이"와 관련된 본문 들이다. 
전기에 대해 관심이 있는 분들은 이 책을 적극 추천드립니다. 이야기식으로 되어있어 쉽고도 재미있게 읽을 수 있습니다.