연, 그리고 번개

독립선언문의 기초를 다진 미국의 과학자 벤자민 프랭클린은 1752년, 번개가 전기와 관련이 있다는 사실을 처음으로 밝힌 사람이다. 금속 막대를 장착한 연을 날리고 줄의 끝에 열쇠를 달아서 라이덴 병 옆에 위치하도록 했다. 역사적으로 유명한 이 실험에서 번개가 치기도 전에 비구름 속에 있던 전하가 젖은 연줄을 타고 열쇠에 전달되어 열쇠와 라이덴 병 사이에서 불꽃이 튀는 것을 확인할 수 있었고, 이를 바탕으로 프랭클린은 전기가 양 또는 음의 전하를 가질 수 있다는 주장을 펼쳤다. 프랭클린이 발명한 피뢰침은 번개로 인한 전기가 금속관을 통해 땅으로 흘러들어 가면서 종을 울리도록 하여 사람들을 번개의 공포로부터 해방시켜 주었다.

유행이 된 전기

전기와 관련된 실험은 마치 유행처럼 번져나갔고, 이 때문에 생각지 못한 불운을 맞이한 사람들도 있었다. 전기에 대한 실험을 체계적으로 시도한 첫 번째 인물은 영국의 염색공이자 과학을 취미로 삼고 있던 스티븐 그레이이다. 그는 어린 소년에게 대전(帶電, charged)된 유리막대를 들게 하고 절연된 줄로 아이를 매달아 놓은 뒤 아이의 코와 유리막대 사이에서 불꽃이 일어나게 하기도 했다.

그레이가 이런 장난스러운 실험만 한 것은 아니어서, 1729년에는 전기가 물을 포함한 전도체를 통해 다른 물질로 전달될 수 있다는 것을 보이기도 했고, 손을 잡은 사람들을 통해 전기가 전달되는 것을 보여주기도 했다.

파리에서 활동하던 화학자인 샤를 뒤페는 그레이의 실험을 바탕으로 연구를 진행하여 1733년 모든 물체와 생체는 전기를 가지고 있으며 전기는 음과 양의 두 가지 성질이 있다고 주장하기에 이른다. 1786년 이탈리아의 물리학자 루이지 갈바니는 죽은 개구리에 전기를 가하고 개구리 다리가 전기 때문에 움직이는 것을 실험으로 확인했다. 갈바니는 이런 현상이 전기가 개구리의 신경을 타고 흘러 근육이 움직인 것이라고 결론지었다.

전기의 이용

전기를 실생활에 이용하려면 원할 때 전기를 만들고 방출하는 방법을 알아내야만 한다. 원시적 형태의 전지는 이탈리아의 물리학자 알레산드로 볼타에 의해 만들어졌고, 전압의 단위인 볼트(v)는 그의 이름을 딴 것이다.

볼타가 전지를 만든 것은 1800년인데, 그가 만든 전지는 아연, 구리, 종이판을 소금 용액 속에 쌓아놓은 것이었다. 볼타는 자신이 만든 장치가 전기를 만들어내는 원리를 알지 못했지만 어쨌든 전지가 제대로 작동했으므로 그건 중요하지 않았다. 철 내부에서 일어나는 전하의 이동은 1884년 스웨덴의 화학자 스반테 아우구스트 아레니우스에 의해 밝혀진다. 독일의 물리학자였던 게오르그 옴은 1827년 볼타의 전지를 이용한 연구를 통해 그의 이름을 딴 법칙을 발견했다. 옴의 법칙에 따르면 전기가 도체를 통과할 때 전류와 전압, 저항 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다. (I는 전류, V는 전압의 차이, R은 전기저항)

I = V/R

물질의 전기저항 값은 항상 일정하므로 전압의 차이는 곧바로 전류에 영향을 미친다.

아직 무대로 나오지 못한 자석

전기를 제대로 이해하려면 자기(磁氣, magnetism)가 무엇인지 알아야 한다. 쇠를 끌어당기거나 남북을 향하는 신비한 힘은 고대에도 이미 알려진 것이었지만, 이것이 실제로 무엇인지 알 방법은 없었다.

아리스토텔레스에 따르면 탈레스가 이미 기원전 6세기에 자력에 대한 관찰을 남겨놓았다고 한다. 기원전 800년경에는 인도의 외과의사이며 작가였던 수쉬루타가 몸에 박힌 금속을 제거할 때 자석을 이용했다는 기록도 있다.

자석과 관련된 또 다른 기록은 기원전 4세기 중국의 문헌인 《귀곡자(鬼谷子)》에 나오는 ‘(천연)자석은 쇠를 끌어당긴다’라는 구절을 들 수 있다. 천연자석은 함유된 자철광으로 인해 자기를 띠게 된 암석이다. 이런 암석이 벼락을 맞으면 내부의 자성을 띤 결정구조가 정렬되어 자석이 될 수 있다.

중국에서는 기원전 1세기부터 점쟁이들이 천연자석을 점술판으로 이용한 기록도 있다. 서기 270년경에는 천연자석을 나침반의 용도로도 이용한 것으로 보이지만, 항해에서 나침반을 사용한 최초의 기록은 서기 1117년 주위(朱彧)가 쓴 《평주가담(萍洲可談)》에 나오는 ‘항해사는 뱃길 주변의 지리를 잘 알고 있으며, 밤에는 별을 보고 낮에는 해를 보아 방향을 파악한다. 구름이 낀 날에는 나침반을 이용한다’라는 구절이다.

항해용 나침반은 유럽에서도 만들어졌는데, 중국의 나침반이 방향을 24개로 구분했던 것에 비해 유럽의 나침반은 16개로 구분했다. 유럽에서 나침반 사용이 시작된 후에도 중동에서 나침반을 사용했다는 기록이 보이지 않는 것으로 보아 중국에서 발명된 나침반이 (중동을 거쳐서) 유럽으로 전해진 것 같지는 않다. 중국과 유럽 나침반의 또 다른 차이점은 중국의 나침반은 남쪽을 향했던 반면, 유럽의 나침반은 북쪽을 가리킨다는 점이었다.

엘리자베스 1세 시대의 인물인 영국의 윌리엄 길버트는 과학적으로 자기(磁氣)에 대한 연구를 최초로 시도했으며 ‘호박(琥珀, amber)의’라는 의미의 라틴어 ‘엘렉트리쿠스(electricus)’를 만들었다.

1600년에는 자기와 전기에 관한 여러 가지 실험 내용을 담은 《자기에 대하여(De Magnete)》를 펴냈는데, 이 책은 남북을 가리키는 나침반의 신비한 기능을 이성적으로 접근한 첫 사례일뿐만 아니라, 지구가 자석이기 때문에 나침반이 동작한다는 주장도 담고 있다. 또한 길버트는 마늘이 나침반의 동작을 방해한다는 속설(당시 마늘을 먹은 선원들은 배의 나침반 근처에 가는 것이 허락되지 않았다)과, 지구의 북극에 있는 거대한 자석산 때문에 나침반이 움직이며 자석산 근처에 가면 배 안의 모든 금속이 자석산에 끌려갈 것이므로 북극 근처로 가까이 가는 것은 위험하다는 미신을 불식시키고자 했다.

자석의 힘에 대한 속설 중에는 쇠로 만들어진 마호메트의 관이 두 자석 사이에 놓여서 공중에 떠 있었다는 것도 있다.