[스크랩] 전기와 자기

 

제목 : 페러데이의 자수성가

 페러데이는 불우한 환경을 딛고 자수성가한 대표적인 과학자로 꼽힌다. 1791년 런던 교외에서 가난한 대장장이의 아들로 태어난 그는 13세의 나이에 학업을 포기하고 서적 판매 및 제본공장으로 전전하면서도 과학자가 되려는 꿈을 버리지 않았다. 1812년 페러데이는 우연히 일반인을 상대로 한 영국 왕립연구소의 화학 전공 교수 데이비의 공개 강연을 듣게 되었는데, 이날 데이비와의 만남은 페러데이의 인생에 있어서 커다란 전환점이 되었다. 강의에 감명을 받은 페러데이는 데이비를 찾아가 데이비의 실험을 도울 조수로 일하게 해 달라고 부탁한다. 1813년 데이비의 조수가 된 페러데이는 제본소에서 일할 때 보다 보수는 훨씬 적었지만 과학과 관련 된 일을 할 수 있게 되어서 기쁘게 여겼다. 그의 일은 교수의 강의 준비, 조교 업무, 실험 장치나 도구의 청소, 운반 및 점검 등 잔심부름에 가까운 일이었지만 그는 차츰 자신의 재능을 발휘해 나가기 시작했다. 데이비와 다른 교수들도 페러데이의 능력이 뛰어나다는 것을 알게 되면서 좀 더 수준 높은 일들을 맡기기 시작하였다.

 그러나 페러데이가 본격적으로 자신의 과학적 능력을 발휘하자, 그를 과학계로 이끌어 주었던 스승 데이비조차 페러데이에 대해 경계심과 질투심을 갖게 되었다. 그 당시 페러데이가 관심을 가지고 연구하던 분야는 주로 화학 분야였다. 제자가 자신을 앞지르고 있다는 것을 느낀 데이비의 질투와 경계심은 점점 심해졌다. 페러데이가 왕립학회의 회원으로 추천이 되자 데이비의 질투는 극에 달했는데, 당시 왕립학회장이었던 데이비는 페러데이의 회원 선출에 반대하였다. 그러나 결국 페러데이는 정식으로 추천을 받아 1824년 회원들의 투표를 통해서 왕립학회의 회원이 되었는데, 반대표는 단 한 표뿐이었다고 한다.

 정식 과학교육을 거의 받은 적이 없는 페러데이는 32세의 나이로 일류 과학자들과 어깨를 나란히 할 수 있게 되었으며, 이후 전자기 유도 현상을 발견, 직류 발전기의 발명, 전기 분해 법칙의 발견 등 전자기와 관련된 수많은 중요한 업적을 남겨 19세기 최고의 실험 물리학자라는 영예를 얻게 되었다.

 맥스웰은 페러데이와 다른 과학자들이 발견한 전기와 자기에 대한 실험 사실들을 집대성하여 전자기 통합 이론을 만든 후 페러데이에게 이 이론에 대한 의견을 묻는 편지를 보냈다. 맥스웰은 명문 케임브리지대학을 나오는 등 엘리트 과학 교육을 받았고 천재적은 수학 능력을 가진 물리학자였다. 그러나 페러데이는 수학 교육을 제대로 받은 적이 없었기 때문에    맥스웰의 편지 내용, 즉 페러데이 자신의 발견을 수학적으로 표현한 것을 제대로 이해할 수 없었다. 하지만 페러데이는 뛰어난 실험적 능력과 탁월한 과학적 통찰력을 이용해 여러 중요한 과학적 발견을 이루어 냈다. 이 때문에 페러데이를 19세기 물리학을 이끈 위대한 과학자라고 칭찬하더라도 어느 누구도 부정하지 않는다.

[출처]전기와 자기 - 동아사이언스 - 28p부터29p까지

제목 : 밴앨런대

최근 지구를 둘러싸고 있는 오존층이 줄어들면서 자외선이 강해져 호주에서는 눈 먼 토끼들이 놀고 있다는 보도가 있었다. 오존층처럼 지구 생명체를 보호해 주는 자연의 장치 가운데 하나가 지구를 도넛 모양으로 둘러싸고 있는 밴앨런대, 또는 밴앨런 복사대이다.

 

 지구 주위로 지구 자기장이 영향을 미치는 공간을 자기권이라고 부른다. 자기권은 태양풍(태양으로부터 나온 전하들)에 의해 비대칭적인 모양을 하고 있다. 높은 에너지를 가진 전하를 띤 입자가 자기권으로 들어오면 지구 자기장에 의해 자기력을 받아 자기력선을 따라 나선 운동을 하며 지구 자기권에 갇히게 된다. 앞에서 전하가 자기장에 수직하게 움직이면 원운동을 한다고 배웠다. 그런데 전하가 완전히 자기장에 수직하지 않고 비스듬하게 움직이면 자기장에 수직한 방향으로 자기력을 받아 원운동을 하며 동시에 자기장에 평행한 방향으로 자기력이 없어 등속 운동을 하기 때문에 나선 운동을 하게 되는 것이다. 이런 이유 때문에 자기권의 두 지역에 전하가 집중적으로 잡혀 있게 되는데, 이곳을 밴앨런대라 부른다.

 밴앨런대라는 이름은 1958년에 발사된 미국 최초의 인공위성 익스플로러 1호를 사용해 이 전하 띠를 최초로 발견한 제임스 밴 앨런의 이름을 따서 붙여졌다. 밴앨런대의 내부 띠는 지구로부터 1000km 정도 떨어져 있고 외부 띠는 지구로부터 4만km나 떨어져 있다. 밴앨런대는 높은 에너지를 가진 전하 입자들로 이루어져 있는데 내부 띠는 주로 양성자이고, 외부 띠는 주로 전자들로 구성되어 있다. 태양풍이 강할 때 밴앨런대의 위아래 전위차는     1만V 이상 되기도 한다.

 밴앨런대 내부에 있는 입자들은 지구 자기장의 자기력선을 따라서 남북으로 왕복 운동을 하는데 주기는 대략 수 분에서 수 시간 정도다. 또 극지방의 밴앨런대에 갇혀 있던 일부 입자들이 빠져 나와 멋진 오로라를 연출하기도 한다. 만일 밴앨런대(또는 밴앨런대의 원인인 지구 자기장)가 없었다면 우주로부터 오는 높은 에너지를 가진 전하가 그대로 지구에 도달하여 사람을 포함한 모든 생물을 죽게 할 수 있다. 이렇게 본다면 지구에 생명체가 살 수 있는 것은 거의 기적에 가까운 일이라 할 수 있다.

[출처]전기와 자기 - 동아사이언스 - 105p

제목 : 파도 타는 포일

 자기장 속에서 전류가 받는 힘을 알아볼 수 있는 간단한 실험이 있다. 자기장이 세거나 전류가 크면 강한 힘이 작용하므로 그 힘으로 인한 움직임을 볼 수 있겠으나 우리가 가진 자석과 전류로는 그리 큰 힘을 얻을 수 없다. 그럼 그 힘의 효과를 눈으로 보려면 어떻게 하야 할까? 방법은 전선의 무게를 줄이는 것이다. 다음의 방법을 사용해보자.

 

 말굽자석 사이로 알루미늄 포일을 길게 늘어뜨리고 그 양끝을 9V건전지 끝에 연결시킨다. 연결시키는 순간 알루미늄 포일은 떠오르기도 하고 내려가기도 한다. 그 방향을 미리 예측하고 맞혀 보자. 말굽자석이 여러 개 있으면 아래의 사진들처럼 울퉁불퉁 춤추는 포일을 만들 수도 있다.

[출처]전기와 자기 - 동아사이언스 - 128p

제목 : 자기력을 응용한 장치들

 전류 도선에 작용하는 자기력을 응용한 장치의 종류는 매우 다양하며, 대표적인 것으로 전동기(모터), 전기를 소리로 바꿔주는 스피커, 전류계와 전압계의 핵심인 검류계 등을 들 수 있다.

 스피커 내부를 보면 코일(솔레노이드)이 영구 자석 안에 들어 있고 이 코일은 스피커의 진동판(스피커 콘)에 붙어 있다. 코일에 교류 전류(소리를 전기로 바꾼 신호)가 흐르면 영구자석의 자기장에 의해 약한 자기력이 생기고 이 자기력이 코일에 붙은 진동판을 진동시켜 소리가 발생한다. 진동판은 아주 가볍기 때문에 작은 자기력에도 민감하게 반응한다.

 

 검류계의 내부를 보아도 스피커와 유사하게 영구 자석 사이에 코일(전류 고리)이 놓여 있는 것을 확인할 수 있다. 이 코일은 약한 나선형 스프링 및 눈금판 바늘과 연결되어 있다. 59쪽에서도 잠시 언급했던 것처럼, 검류계에 전류가 흐르면 영구자석의 자기장에 의해 자기력이 작용한다. 이 자기력에 의해 코일이 회전을 하고 동시에 나선형 스프링을 압축시킨다. 전류가 계속 흐르면 코일이 받는 회전력과 스프링의 압축력이 같아지는 곳에서 코일의 회전이 멈추고, 이 때 코일에 연결된 바늘이 눈금을 가리키게 된다. 검류계에 적절한 전기 저항체를 연결하면 넓은 범위의 전류와 전압을 측정할 수 있는 아날로그(눈금식) 전류계와 전압계를 만들 수 있다. 디지털(숫자식) 전류계와 전압계는 원리가 다르다.

[출처]전기와 자기 - 동아사이언스 - 129p

제목 : 지구 자기장

 지구가 하나의 거대한 자석이고 지구 자기장이 바로 나침반이 방향을 가리키는 원인이라고 최초로 주장한 사람은 영국의 과학자 길버트이다. 지구 자기장은 지구 중심으로부터 1000km와 3000km사이에 있는 액체 상태의 지구 외핵에서 생성된 어떤 종류의 전류에 의해 생긴다고 알려져 있다. 외핵을 구성하고 있는 물질은 주로 철이나 니켈처럼 전기를 잘 통하는 원소들이다. 초기 지구에 아주 작지만 약간의 자기장이 걸려 있었다고 가정하고 지구 자전에 의해 외핵의 물질들이 서서히 회전을 시작했다고 하면(5장에서 다룰 전자기 유도 법칙에 따라) 외핵에 약한 유도 전류가 발생하게 되고 이 유도 전류에 의해 새로운 자기장이 만들어지기 때문에 자기장이 좀 더 커진다. 자기장이 커지면 유도 전류 역시 더 커지고 따라서 여기서 유도되는 자기장 역시 증가한다. 이런 순환과정이 되풀이되어 현재와 같은 크기의 지구 자기장이 생겨났다는 주장을 ‘다이나모 이론’이리고 한다.

 다이나모 이론은 발전기의 작동 원리와 비슷하다. 다시 말해 지구 내부에는 거대한 영구 자석이 들어 있는 것이 아니라 일종의 발전기가 들어있는 셈으로, 발전기로부터 공급된 전류에 의해 자기장이 생긴다고 보는 것이다. 지구 내부에 영구 자석이 없다는 것은 지구 핵의 온도만 보아도 알 수 있다. 핵의 온도가 너무 높아 영구 자석과 같은 강자성체가 존재할 수 없기 때문이다.

 지구 자기장은 지구 자전에 의한 전류 외에 대류에 의한 전류에 의해서도 생기게 되어 단순한 자기 쌍극자(자석)와는 다른 복잡한 자기장을 보인다. 이 때문에 지구 자기축은 지구 회전축과 17°정도 기울어져 있다. 지구 내부에 전류가 존재한다는 증거는 매년 지구 자기장이 감소하는 것을 통해서도 알 수 있다. 지구 내부에 흐르는 전류가 마찰에 의해 계속 감소하기 때문에 지구 자기장 역시 매년 감소한다. 일부 과학자들은 지구 자기장이 현재의 절반으로 감소하는데 대략 1400년 정도 걸린다고 주장한다. 현재 10^-4T(1G) 수준인 지구 자기장이 이런 추세로 감소한다면 생명체에 심각한 위협이 될 수 있다. 지구 역사의 오랜 기간 동안 생물 종들이 급격하게 변하는 시기가 있었음에 착안한 일부 과학자들은 지구 자기장의 크기가 커졌다 작아졌다하며 진동한다는 주장을 펴기도 한다. 어떤 주장이 맞을지는 좀 더 지켜보아야 할 것이다. 또 한 가지 흥미로운 점은 과거 지구자기장의 방향이 여러 차례 바뀌었다는 것이다. 이런 기록이 암석에 잘 남아 있는데, 암석에 남은 자기장의 기록을 ‘고지자기‘ 라고 부른다. 지구 자기장이 줄어든다고 생명에 무슨 문제가 있을까? 2003년에 개봉된 ’코어‘ 라는 영화에서 묘사된 것처럼 지구 자기장이 갑자기 사라지자 하늘을 날던 비둘기 떼가 갑자기 방향을 잃고 건물과 충돌하기도 하고 전자 장치들이 모두 먹통이 되는가 하면 태양 광선이 강렬해져 철재 다리가 녹아내린다. 과장되긴 했지만 무시하기에는 꺼림칙한 무엇이 분명히 있다. 

[출처]전기와 자기 - 동아사이언스 - 142p부터 143p까지       

제목 : 전동기의 역기전력

전동기는 전기 에너지를 일로 변환하는 기계이다. 발전기는 전기를 발생시키기 위해 수력, 화력, 원자력 등을 이용해 회전자(코일)를 강제로 돌리는데 반하여 전동기는 전기로 회전자를 돌려주는 점이 다르다. 영구 자석의 자기장 속에 놓인 전류가 흐르는 도선이 자기력을 받는 원리에 의하여 전동기를 회전자가 회전하게 된다. 전동기의 회전자에 전류가 흘러 회전자가 돌아가기 시작할 때, 회전자에 흐르는 전류에 의한 자기장이 회전자 자신에 전자기 유도를 일으켜 전동기에 걸어준 외부 기전력과 방향이 반대인 유도 기전력을 발생시킨다. 이를 역기전력이라고 하는데 역기전력은 전동기의 작동 초기에 갑자기 많은 전류가 흐르는 것을 막아 회전자에 감긴 코일이 과열되지 않도록 하며, 전동기의 회전수가 갑자기 커지는  것을 방지하는 순기능을 가진다. 하지만 때로는 외부 기전력보다 훨씬 커져 테슬라 코일처럼 불꽃을 발생시켜 화재의 원인이 되는 역기능도 가지고 있다.

[출처]전기와 자기 - 동아사이언스 - 153p

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글쓴이 : 피뢰광 원글보기

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