전자와 자기의 관련성

전자와 자기의 관련성

전자와 자기의 관련성

전기와 자기에 대해서 각각 말씀드렸는데요, 처음에 뭐라고 말씀드렸냐 하면 본래 전기와 자기는 이렇게 서로 다른 현상이었는데, 연구를 하다 보니까 점점 관련성이 생겨서 나중에 하나로 통합이 되었다, 이렇게 말씀을 드렸죠. 지금까지 제가 여러분들한테 설명을 한 것에서 알 수 있듯이 본래 전기하고 자기하고는 별로 공통점도 없는, 약간의 공통점도 있기는 하지만 차이점도 있고 별로 같아 보이지 않는 그러한 현상이었습니다. 그런데 사람들이 이제 연구를 하다 보니까 전기와 자기가 서로 관련이 있다는 걸 알게 됐다는 말이죠. 그래서 그 얘기를 지금 우리가 지금 여기서 해 볼까 합니다.

전기와 자기의 관련성

사람들이 처음에 전기와 자기의 관련성을 알게 된 것은 전류가 흐르는 도선 주위에 나침반을 놓았더니 나침반의 방향이 바뀌는 것을 통해서입니다. 여기 플래시를 보시면요. 지금 여기에는 도선이 있고, 도선에 전류가 흐르게 되는데요. 지금은 스위치를 꺼놓은 상태입니다. 그런데 여기 주변에 나침반을 이렇게 놓았는데요. 이 나침반은 물론 아무런 전류가 흐르지 않는 상태에서는 나침반의 N극은 북쪽을 가리키고, S극은 남쪽을 가리키게 되겠죠. 그런데 이 상황에서 제가 스위치를 켜면 이 나침반의 방향이 바뀌게 됩니다. 이렇게 도선을 중심으로 원을 그렸을 때 원을 따라 가는 방향으로 나침반의 방향이 바뀌게 되는 거죠. 그런데 나침반의 방향이 바뀐다는 것은 어떤 걸 뜻하는 거냐 하면 힘을 받았다는 것을 의미하는 것이고, 힘을 받았다는 것은 어떤 걸 의미하는 것이냐 하면 이 주변에 자기장이 형성되어 있다는 걸 의미하게 됩니다. 이 형성되어 있다는 건 어떤 뜻이냐 하면 도선에 전류가 흘렀는데 자기장이 만들어졌다는 것이니까요. 도선에 전류가 흐르면 전기에 의한 현상인데 거기에서 자기장이 만들어졌다는 것을 의미합니다. 즉, 전기가 흘렀는데 자기장이 만들어졌다, 그러니까 전기와 자기장의 관련성이 생긴 것이죠. 그래서 사람들이 바로 이런 실험을 통해서 처음으로 전기와 자기가 독립적인 것이 아니라 관련이 있는 것이라는 것을 알게 됐고, 구체적으로 전기가 흐르면 주변에 자기장이 형성된다. 즉, 자석에 영향을 줄 수 있다고 하는 것을 알게 되었다는 것입니다. 이걸 좀 더 극적으로 알아보기 위해서 번개가 치는 날 나침반에 어떤 일이 일어나는가를 동영상을 통해서 보도록 하겠습니다. 아까 등장했던 이 물리학자분이 여기서도 수고를 하고 계시는데요. 이분이 번개가 치는 날 나침반을 들고 가서 나침반의 바늘이 어떻게 변하는지를 몸소 체험하고 계십니다. 물론 실제로 이런 실험을 하시는 건 아니죠. 합성 화면일 텐데요. 지금 여기 이분이 번개가 칠 때 나침반을 꺼내 들고 나침반의 바늘이 어떻게 변하는지를 보고 계십니다. 지금 번개가 치고 있습니다. 나침반의 바늘이 아주 급격하게 움직이고 있는 걸 보고 있죠. 아까 도선에서 전류가 흐를 때 나침반의 바늘이 원을 둘러싼 방향으로 바뀐다고 했는데 여기는 그렇게 되지 않고 나침반의 바늘이 자기 멋대로 바뀌고 있죠. 왜냐하면 번개가 워낙 전기가 세기 때문에 방향이 딱 고정되지 못하고 이렇게 변하는 것입니다. 그런데 그러면 우리가 이렇게 물어볼 수 있습니다. 즉, 전기가 흐르면 자기장이 생기는데. 즉, 전기가 자석에, 자기장에, 자기에 영향을 미쳤는데 거꾸로도 일어나네요. 즉, 다시 말하면 자기에 의해서 뭔가 전기 현상도 일어날 수 있는가 이렇게 물어볼 수 있겠습니다. 거기에 대한 답도 그렇다는 것입니다. 그래서 그 얘기를 여기다가 해 볼까 합니다. 이 플래시를 다시 보시면 여기에는 자석이 있고요. 지금 도선이 이렇게 있고, 여기에 전류가 흐르는지, 안 흐르는지를 알아보는 실험 장치가 있습니다. 이런 거를 우리가 검류계라고 하는데요, 이 도선을 보시면 여기에는 건전지가 연결되어 있지 않습니다. 그러니까 자석이 움직이지 않을 때는 전류가 흐르지 않아야 정상입니다. 그런데 제가 여기서 자석을 움직이면 전류가 흐르게 되는 거죠. 제가 이 자석을 손으로 잡고 움직여 보겠습니다. 그러면 이렇게 자석이 움직일 때마다 전류가 흐르는 걸 볼 수가 있습니다. 그런데 이 자석을 제가 움직임을 멈추면 전류는 더 이상 흐르지 않습니다. 즉, 자석이 움직임으로 해서 전기가 생성된다는 걸 알 수가 있는 거죠. 그런데 전기가 없는 상태에서 전기를 만들어내는 것, 그것이 뭐냐 하면 바로 발전기죠. 그래서 이것이 바로 발전기의 원리입니다. 그리고 이렇게 흐르는 전류를 유도 전류라고 합니다 전에 패러데이에서 말씀을 드릴 때, 패러데이가 유도전류라고 하는 걸 발견했다고 했고, 그리고 이제 이것이 발전기의 원리가 되었다고 말씀드렸는데요. 바로 여기서 여러분들한테 설명한 것이 그 내용이 되겠습니다.

페어데이의 유도전류의 원리로 보는 관련성

그런데 이건 어떤 의미냐 하면 전류가 흐른다는 것은 아까 뭐라고 얘기했냐 하면 도선 안에 있는 전자가 움직이는 거라고 말씀을 드렸는데, 전자가 왜 움직이느냐 하면 힘을 받아서 움직이는 거죠. 즉, 도선에 전기장이 형성되어서 그 전기장에 의해서 힘을 받아서 움직이는 거라고 말씀드렸습니다. 그러니까 자석이 움직이면 전기가, 전기력이 생겼다는 걸 의미하는 것이죠. 그래서 자기에 의해서 우리가 전기적인 현상을 만들어냈다, 이렇게 말씀을 드릴 수가 있겠습니다. 그러니까 아까 전류가 흐르면 자기장이 형성된다는 것과 마찬가지로 자석이 움직이면 전기장이 형성된다, 이렇게 얘기를 할 수 있는 거죠. 즉, 서로 거꾸로도 일어난다는 뜻입니다. 그래서 이렇게 전기와 자기는 서로가 서로를 만들어내는 친구라고 할 수 있습니다. 그리고 여러분들이 지금 일상생활에서 전기를 쓰고 있는데요. 그게 다 발전소에서 오는 전기죠. 이 발전소에서 만들어낸 전기는 단 하나의 예외도 없이 모두 이렇게 자석을 움직임으로 해서 만들어진 전기입니다. 발전소에는 여러 가지 종류의 발전소들이 있죠. 원자력 발전소도 있고, 수력 발전소도 있고, 화력 발전소도 있고, 풍력 발전소도 있고, 조력 발전소도 있고, 지력 발전소도 있고, 온갖 종류의 발전소들이 있습니다. 그런데 그 발전소들이 하는 역할이 뭐냐 그러면 다 이렇게 자석을 움직이는 겁니다. 실제는 자석을 움직이는 거라기보다는 자석은 가만히 있고 도선을 움직이는 건데요. 사실은 상대적인 거니까 마찬가지라고 생각하시면 되겠습니다. 그래서 이렇게 자석을 움직이는 건데, 그런데 그 자석을 움직일 때 무엇으로 움직일 것이냐에 따라서 원자력으로 움직이면 그게 원자력 발전소가 되는 것이고, 물의 힘으로 움직이면 수력 발전소가 되는 것이고, 불의 힘으로 움직이면 화력 발전소가 됩니다. 움직일 때 무엇을 통해서 움직이는가에 따라서 발전소의 종류가 바뀔 뿐인 것이지 실제로 전기를 만들어내는 원리는 다 똑같습니다. 자석을 움직이거나, 아니면 자석은 가만히 두고 도선을 움직이거나. 그래서 이 모든 것이 다, 단 하나의 원리, 바로 이 유도전류의 원리를 통해서 만들어지는 것입니다. 그래서 패러데이가 만약에 없었다면 우리는 지금까지 이 원리를 모르고 있을지도 모르는 겁니다.