Chapter 5.
저석과 번개가 같은 현상이라고?
모른다는 사실을 완전히 자각한 무지는, 과학 발전을 알리는 도입부이다.
-제임스 클러크 맥스웰 - - P117
1820 년대가 되자 전기 현상과 자기 현상이 별개로 발생하는 것이 아니라는 실험 결과들이 속속 등장했다. 과학자들의 과제는 전기 현상과 자기현상을 봉합해 설명할 수 있는 체계를 만들어 내는 것이 되었다. 그 과제를 해결하고 전자기학을 정립한 과학자가 바로 맥스웰이었다. - P118
나침반은 왜 늘 북쪽을 가리킬까?
(전략)
자석은 직접 접촉을 하지 않고도 물체를 움직이기 때문에 예로부터 불가사의한 것, 수수께끼에 싸인 것, 신비한 것, 마술적인 것으로 인식되어왔다. 자석의 힘을 처음으로 언급한 사람은 고대 그리스의 탈레스로 알려져 있다. - P119
나침반을 맨 처음 만들어 사용한 이들은 고대 중국인들이다. 나침반은 화약, 종이와 더불어 중국의 3대 발명품중 하나로 꼽히지만, 언제 누가 나침반을 발명했는지는 정확하게 알려져 있지 않다. - P119
중국에서 방향을 찾기 위해 본격적으로 나침반을 사용한 시기는 11세기초 송나라 시대부터였다. 이 시기에 중국인들은 항해에 나침반을 이용했는데, 이 나침반은 자침을 물 위에 띄운 형태였다. 해와 별이 없는 흐린날에는 이를 통해 남북을 알아냈다. - P120
중국의 나침반은 12세기 말에서 13세기 초에 이슬람을 거쳐 유럽으로 전파되었다. 유럽인들도 처음에는 바늘처럼 생긴 자석을 물에 띄워 방향을 알아냈다. 하지만 14세기를 거쳐 15세기가 되면서 유럽인들은 물에 바늘을 띄우는 대신, 바늘을 판에 고정해 방향을 찾는 나침반을 만들었다. - P121
나침반 바늘이 남북을 가리키는 성질을 처음 연구한 사람은 13세기 프랑스의 천문학자 페트루스 페레그리누스(Petrus Peregrinus de Maricourt, ?~?)였다. - P121
실험을 중요하게 여겼던 페레그리누스는 실험을 통해 자기현상에 대한 중요한 연구 결과를 많이 얻을 수 있었다. ‘극(polus)‘이라는 단어를 처음으로 사용한 사람도 그였다. 페레그리누스는 자석에는 두 극이 있으며,
자석을 둘로 나누어도 각 조각들은 다시 두 극을 가진다는 것을 알아냈다. - P122
나침반의 북극인 자북극, 지리상의 북극, 나침반의 중심을 선으로 연결했을 때 생기는 사잇각이 편각이다.
한편, 나침반 바늘은 지표면과 수평으로 있지 않고 극에 가까워질수록 아래쪽을 가리킨다. 복각은 자침의 방향이 수평면과 이루는 각도를 말한다. - P123
복각의 발견자는 영국의 로버트 노먼(Robert Norman, ?~?)으로 알려져있다. 노먼은 선원이었는데, 약 20년간 선원으로 일한 뒤 은퇴하고 런던에서 항해용 기계를 만들어 팔았다. 그러던 중 북극을 가리키는 나침반 바늘의 끝이 항상 아래로 기울어지는 현상을 알아챘다. 바로 복각을 발견한 것이다. - P123
16세기 이전까지만 해도 자연철학자와 기술자의 사회적 지위에는 큰차이가 있었다. 기술자들은 자연철학자들보다 지위가 낮은 것으로 여겨졌다. 하지만 르네상스 시대를 지나면서 대규모 건축이나 항해, 예술, 상업, 군사 등의 분야에서 기술자들의 중요성이 커졌다. - P124
길버트는 18년간의 자석 연구를 정리해 1600 년에 《자석에 관하여》라는 책을 썼다. 이 책에서 길버트는 자석과 자기에 관한 지식을 정리하고이론 체계를 세웠다. 그는 자연철학자들이 오류에 빠지지 않기 위해서는 실험을 해야 한다고 강조했다. - P124
지구가 자석일지도 모른다는 가설을 검증하기 위해 길버트는 천연 자철광으로 인공 소지구인 ‘테렐라(Terrella)‘라는 지구 모형을 만들었다. - P125
길버트의 연구 기반이 된 자료가 바로 노먼의 실험과 책이었다. 특히 노먼이 발견한 복각 개념은 길버트가 지구 자기장을 이해하는 초석이 되었다. - P125
전기에도 종류가 있다? 없다!
전기 연구를 본격적으로 시작한 사람은 16세기 말에 자석을 연구했던길버트였다. 전기와 자기를 구분하기 위해 전기를 연구했던 길버트는 밀도가 극히 낮은 전기소라는 액체가 전기를 매개한다고 생각했다. - P126
영국 캔터베리 출신의 아마추어 실험가 스티븐 그레이 (Stephen Gray,
1666~1736)는 1729 년에 전기가 접촉을 통해 꽤 먼 거리까지 전달된다는것을 발견했다. 그레이는 수많은 물질들을 가지고 전기가 통하는 것과 그렇지 않은 것을 구분하는 실험을 했다. - P127
사람 몸에도 전기가 통하는지 궁금했던 그레이는 고아원에서 한 아이를 데리고 와 실험을 진행했다. 그는 아이를 허공에 매달고 유리 막대로 옷을 문질렀다. - P127
이후 전기학은 프랑스의 샤를 프랑수아 드 시스테르네 뒤페(CharlesFrançois de Cisternay du Fay, 1698~1739)가 크게 발전시켰다. 그는 보병 장교였지만 화학자로 변신했고, 마찰을 통해 여러 물체를 대전시켰다. 그 결과전기를 띤 유리는 전기를 띤 호박을 잡아당기지만, 전기를 띤 유리 조각끼리는 서로 밀어내는 것을 발견했다.
이를 보고 뒤페는 전기에는 수지성과 유리성 두 종류가 있다고 주장했다. - P128
벤저민 프랭클린(Benjamin Franklin, 1706~1790)은 뒤페의 이중 유체 이론에 반대하고 전기는 한 종류의 유체로 이루어졌다는 ‘단일 유체 이론‘을 주장했다. 프랭클린은 어떤 물체에 유체가 과잉되면 양전하를 띠고, 유체가 부족해지면 음전하를 띤다고 생각했다. - P128
오늘날 우리는 마찰 전기를 전자의 이동으로 간단하게 설명한다. 그러나 18세기에는 전자라는 개념이 없어서 지금과 같은 방식의 설명은 불가능했다. - P129
전기를 저장하고 수학으로 표현하다
프랭클린이 미국 필라델피아에서 전기를 연구하고 있는 동안 네덜란드의 레이던이라는 곳에서는 놀라운 실험이 진행되고 있었다. 바로 ‘레이던 병‘의 발명이었다. - P130
레이던병을 만드는 방법은 간단하다. 먼저 유리병의 안쪽과 바깥쪽에 주석 판을 붙인다. 그 유리병에 물을 조금 채우고 철사나 못을 꽂은 코르크 마개로 입구를 막는다. 이때 철사나 못이 아래쪽의 물에 닿아야 한다. - P130
레이던병을 발명한 뮈스헨브룩은 오른손으로 레이던병을 잡고 왼손으로 철사에 스파크를 만들어 내려고 했다. 그때 그는 온몸이 벼락을 맞은것처럼 떨렸다고 한다. - P131
시간이 흐르자 과학자들은 전기 현상을 정량화하는 방법들을 찾아냈다. (중략) 이 발견의 영광은프랑스의 샤를 오귀스탱 드 쿨롱(Charles-Augustin de Coulomb, 1736~1806)에게 돌아갔다. - P132
쿨롱은 대전된 물체 사이의 거리가 가까워질수록 두 물체가 서로 밀어내는 힘이 커지고, 이와 반대로 멀어질수록 밀어내는 힘이 작아지는 것을 발견했다. - P132
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