에과11: 전자기파의 확인

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에피소드 과학철학

열한째 주: 전자기파의 확인

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전화의 발명: 라이스

19세기 중반, 전신기의 발명이 이루어지고 영국과 프랑스 사이의 도버해협에 해저전선이 부설되자, 새로운 첨단

기술인 전기 통신에 대한사람들의 관심과 기대가 커져갔다.

이와 같은 분위기 속에서 독일의 한 교사가 전화 발명에

심혈을 기울이고 있었다. 그는 라이스(Johann P. Reis , 1834 -74)로, 소리는 공기 의 진동에 의해 전달되므로, 공기의

진동을 전류의 강약으로 바꾸면 음성을 전류에 실어보낼 수 있을 것이라고 생각하였다.

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전화의 발명: 라이스: 송화기

전화는 1861년 라이스가 처음 발명하였다. 그는 코르크를 깎아 귀 모양으로 만들고, 이 귓구멍에 돼지 방광막을 붙여 백금 조각이 달린 용수철에 연결했다. 방광막의 진동이 용수철에 흐르는 전류의 강약으로 바뀌는 장치 죽 송화기를 만든 것이다.

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전화의 발명: 라이스: 수화기

그리고 전선의 끝에 바늘을 도선으로 감아 만든 전자석을 바이올린 몸체에 달아 수화기 역할을 하게 했다. 라이스는 이 장치를 ‘텔레폰(telephon)'

이라고 불렀다. 그러나 그의 발명품은 사람들로부터 외면을 당했고 진정한 평가를 받지

못하였다.

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전화의 발명: 벨

오늘날 우리가 사용하는 실용적인 전화는 1876년 미국의 농아 학교 교사였던 벨(Alexander G. Bell, 1847-1922)에 의해 만들어졌다. 아버지가 화술교육가였기 때문인지

음향학 연구에 뜻이 있었던 그는 보스턴 대학의 음성생리학 교수가 되면서 전화를 만드는 노력을 구체적으로 하게 된다.

그는 소리를 전기신호로 바꾸어 도선에 흐르게 하고, 이를 다시 소리로 재생하면 서로 멀리 떨어져 있는 사람들끼리 통화가 가능할 것이라고 생각했다.

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전화의 발명: 벨

그리하여 얇은 철판과 전자석을 연결하고 이 철판에 소리를 내면, 그 때 생기는 진동에 따라 전자기 유도가 일어나 전류가 흐르도록 하여 음파를 전기적 신호로 바꾸는 것을

성공시킨다.

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전화의 발명: 그레이

거의 같은 시기에 그레이 (Elisha Gray, 1835 - 1901)도 전화를 발명하였는데 , 우연히 벨과 그레이는 특허청에

특허를 내기 위해 간 날도 같았다. 그러나 특허권은 두 시간 빨리 도착한 벨에게로 돌아갔다. 벨은 1876년에 있었던

미국 독립 1에주년 만국박람회에 전화기를 출품하였고, 사람들의 대단한 관심을 끌었다. 그는 이 발명을 토대로 1877년 벨 전화 회사를 설립한다.

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전화의 발명: 에디슨

당시 벨의 전화기는 소리가 너무 작게 들렸기 때문에 이를 보완하기 위해 송화기에 나팔이 달려 있었다. 에디슨은

이것을 개선하기 위해 나팔 대신에 송화기 속에 탄소가루를 채워 소리의 진동을 전기적 신호로 바꾸는 장치를 만들었다.

미세한 소리에 의한 진동이라도 통 안의 탄소가루가 진동하면서 전류의 세기가 크게 변화하도록 한 것이다.

그리고 이 변화된 전류는 수화기에 도착하여 전류의 변화에 따라 전자석에 붙여진 진동판을 진동시켜 소리를

재생하도록 했다.

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전화의 발명: 후세에 끼친 영향

이렇게 에디슨이 개발한 송화기는 벨의 수화기와 함께 현대식 전화기의 기본이 되었다. 1879년 벨 전화회사와 유니온사는 모종의 협약을 체결했고, 전화사업은

독점적으로 벨에게 넘어와 빠른 속도로 발전하게 되었다.

1876년 전화선이 보스톤과 케임브리지간에 설치되었고,

1915년에는 미대륙을 횡단하여 뉴욕에서 샌프란시스코까지 개통되었다. 아울러 전화를 사용하는 이들이 점차

늘어나면서, 전화는 세계 곳곳을 거미줄처럼 연결시켰고, 오늘날까지 끊임없이 변화하면서 발전해오고 있다.

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대형 발전기: 외르스테드: 전기->자기

덴마크의 과학자 외르스테드는 1820년 전류가 자기장을 발생시킨다는 것을 발견하였다. 그는 도선에 전류가 흐르면 도선 둘레에 자기력이 작용해 공간을 만든다는 사실을

실험을 통해 증명하였다. 즉 도선에 전류가 흐르자 도선 근처에 있던 나침반의 바늘에 힘이 작용하여 자침이 지구 자기장과 다른 방향을 가리키게 되는 것을 보여준 것이다.

(이전에 한 내용이죠?)

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대형 발전기: 패러데이: 전기->힘

외르스테드가 이 사실을 발표하자 많은 과학자들이 관심을 나타내었고, 이 중에는 영국의 패러데이가 있었다. 그는

전류가 자기장을 만든다면 전류가 흐르는 도선과 자석을 가까이 하는 것은, 자석과 자석을 가까이 하는 것과 비슷한 효과를 나타낼 것이라 생각했다.

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플레밍의 오른손 법칙: 힘->전기

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플레밍의 왼손 법칙: 전기->힘

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대형 발전기: 전동기: 전기->힘

실제로 실험을 해보니 자석 가까이 놓인, 전류가 흐르는 도선은 힘을 받았다. 패러데이는 전류가 흐르는 도선을 자기장 속에서 힘을 받게 해 연속적인 회전으로

변화시키려는 실험을 하였고, 이것이 전기에너지를 기계의 운동에너지로 바꿔주는 전동기의 발명으로 이어지게

되었다.

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대형 발전기: 발전기: 힘->전기

또한 패러데이는 움직이는 전하 즉 전류가 자기장을 만들어 내는 것의 역현상을 이용하여 자기력선 속의 시간적 변화가 전류를 만들어낼 수 있지 않을까 하는 생각을 하게 되어

1831 년 전자기 유도현상을 발견해낸다. 즉 도선을 등근 원통에 감은 코일을 만들어 , 이 코일과 자석에 상대적인 운동을 시켰을 때 코일에 전류가 흐르는 현상을 발견한 것이다. 이러한 현상을 전자기유도라 부르며, 발전기의 원리가 된다.

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대형 발전기: 발전기

옆의 그림은 패러데이의 전자기 유도현상을 이용하여 회전하는 자석을 둘러싼 도선에 전류를 발생시키는 장치, 즉 발전기의 그림이다. 이처럼 회전하는

자기장 주변의 도선에 발생하는 전류는 교류가 됨을 주의하라.

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대형 발전기: 전동기: 교류? 직류?

전동기는 전기 공급원이 직류이냐 교류이냐에 따라

직류전동기와 교류전동기로 나누어진다. 직류 전원이 교류 전원보다 먼저 사용되고 연구되었기 때문에 직류전동기는 교류전동기보다 앞서 실용화되었다.

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대형 발전기: 그람의 교류 전동기

1873년 벨기에 전기학자 그람(Z. T. Gramme,1826-1901)에 의해 상업성 있는 교류전동기가 비로소 발명되었다. 그람은 자신이 발명한 발전기 두 대를 빈 박람회에 전시하였는데, 하나의 발전기를 회전시켰는데 다른 발전기가 회전하고

있음을 알게 되었다. 배선이 잘못되어 한쪽 발전기에서 생긴 전류가 다른 쪽 발전기에 흐르도록 연결시켜 놓았던 것이다.

결국 그람이 우연히 발견하게 된 것은, 발전기는 동시에 전동기라는 사실이었다.

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대형 발전기: 교류? 직류?

전기를 보다 많이 사용하게 되면서 전력 공급문제가 대두될 때, 대립되는 두 가지 입장이 있었다. (우리가 잘 아는)

에디슨은 직류 전원이 더 유용하다는 주장을 하였다. 반면에 웨스팅하우스 전기회사의 창립자인 웨스팅하우스 (George Westinghouse, 1846~1914)는 교류 전원을 내세웠다.

직류의 경우는 작은 전동기로 사용할 수 있어 편리하다는 이점이 있으나, 전력 수송에 있어서 경제적이지 못하기 때문에 교류가 더 낫다는 것이다.

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대형 발전기: 교류? 직류? (계속)

이 논쟁은 교류전압을 간단히 증대시킬 수 있는 교류변압기 가 발명되고, 동력용으로 효율이 높은 유도전동기가

발명되면서 웨스팅하우스의 주장이 받아들여지는 것으로 마무리되었다.

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대형 발전기: 후세에 끼친 영향

다량의 전기를 만들기 위해 1882년 에디슨이 화력발전소를 세우면서 처음 등장하게 된 대형발전기는 가스 · 석유뿐만이 아니라 수력,풍력,조력 원자력 등을 통해 가동시킬 수

있다는 점에서 이전의 증기기관보다 훨씬 유용했다. 이렇게 만들어진 전기에너지는 기계에너지뿐만 아니라 열, 빛,

전파, 통신 등에도 자유롭게 사용할 수 있는 폭넓은

활용성을 가지고 있다. 또한 전선만 연결하면 어디서든 사용할 수 있어 입지조건에 큰 구애를 받지 않기 때문에 모든 산업의 원동력이 될 수 있었다.

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자동차 발명: 증기자동차: 퀴뇨

수송기관에 증기를 이용하려는 생각은 이미 17세기 때부 터 있었다. 1769년 프랑스의 퀴뇨(Nicolas ]oseph Cugnot, 1725~1804)가 자동차 역사상 최초로 증기차를 만들었다.

그는 당시 관심을 보이던 육군 장교들 앞에서 실험을

하였는데, 뜻대로 조종이 안되어 엉뚱한 방향으로 나아가다 요란스러운 소리와 함께 망가져 버렸다. 또한 구경하던

사람들도 부상을 입었다. 결과적으로 증기차는 개량하는 것 마저도 한 동안 금지되었기 때문에 실용화되지 못하였다.

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자동차 발명: 증기자동차: 머독

1784년 스코틀랜드의 머독(William Murdock, 1754~ 1839) 도 증기차를 설계, 제작하여 실험에 성공하였으나, 당시

제임스 와트의 조수로 있었기 때문에 독자적으로 증기차에 대한 개발에 힘을 쏟을 수 없었다.

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자동차 발명: 증기기관차

19세기 초 길 위를 달리는 증기기관차가 만들어졌으나

트레비딕과 스티븐슨(George Stephenson, 1781~1848)이 철도 위를 달리는 증기기관차, 즉 ‘기차’로 발전시킴으로써 철도운송이 더욱 빨라지고 대규모 수송이 가능해지자,

사람들의 관심과 투자는 철도 쪽으로 쏠리게 되었다.

자동차가 일반화되어 사용되기 시작한 것은 20세기에 이르러서 였다. 만약 철도가 없었더라면 내연기관을

동력원으로 사용하는 새로운 운송수단이 훨씬 일찍 개발되었을 것이다.

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자동차 발명: 전기자동차

전기자동차는 1894년에 최초로 상업용으로 제작되었다.

소음과 냄새가 없었고, 출발과 운전이 매우 쉬웠기 때문에 다른 자동차들보다 안락하고 깨끗하였다. 그러나 속도가 느리고, 주기적으로 전기를 충전해야 하는 배터리 때문에 운행거리에 한계점을 가지고 있었다. 따라서 전기자동차는 일종의 고급품으로 부자들만이 이용하였다.

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자동차 발명: 증기자동차

증기자동차는 18세기에 가장 먼저 만들어졌으나

실용화되어 대중으로부터 사랑받기 시작한 것은 20세기가 다 되어서였다. 증기자동차는 다소 시끄러웠으나 강력한 엔진으로 모든 도로에서 어려움없이 운전이 가능했고, 구입가격과 유지비가 전기자동차에 비해 상대적으로 저렴하였다.

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자동차 발명: 증기자동차 (계속)

이런 점 때문에 증기자동차는 전기자동차와의 경쟁에서는 훨씬 유리하였으나 뒤늦게 개발된 가솔린 자동차와의

경쟁에서 우위를 차지하기가 어려웠다. 그 이유는

증기기관에 대한 사람들의 인식이 그다지 좋지 않았기

때문이다. 증기기관은 소음과 먼지가 많이 생기고, 보일러가 과열되면 터질지 모른다는 불안감도 느끼게 하였다.

증기자동차를 생산하는 업체조차도 증기기관에 대한 이러한 부정적 측면을 해결하지 못했다.

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자동차 발명: 가솔린 자동차

유능한 수완을 가진 가솔린 자동차 사업가들은 이 점을 잘 이용하여 20세기 초에 이미 증기자동차를 앞질렀다. 가솔린 엔진을 사용하는 자동차의 기술적 결함을 극복하고 이를 오늘날과 같이 일반화시킨 사람들은 독일의 다임러와 벤쯔, 그리고 미국의 포드이다.

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자동차 발명: 벤쯔-다임러

1885년 다임러 (G. W. Daimler, 1834-1910)는 가솔린

기관으로 2륜차를 만들어 특허를 받았으며, 같은 해에 벤츠 (K. F, Benz, 1844-1929)도 독자적으로 가솔린기관을

완성하여 3륜차를 제작, 그 다음 해에 특허를 받았다. 이

두사람은 최초로 실용적인 가솔린기관을 완성하여 기업화한 점에서 자동차의 아버지라 불리운다.

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자동차 발명: 헨리 포드: 모델 T

그러나 가솔린 자동차의 승리를 확실히 하고, 자동차를

일반인들이 이용할 수 있는 생활필수품으로 만든 것은 미국 자동차업계의 거인 포드(Henry Ford, 1863 - 1947)에 의해서 였다. 포드는 1908년 ‘대중을 위한 자동차’ 개발을 선언하고 값싼 T형 자동차를 생산하였다 T형은 가솔린 엔진을

사용하여 누구나 운전할 수 있는 단순하고 쉬운 자동차였다.

이 자동차는 미국의 일반 가정에서 ‘틴 리지 (Tin Iizzie)’라는 애칭으로 불리며 가족의 일원처럼 사랑을 받았다.

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자동차 발명: 대량생산 체제

또한 포드는 지동차를 최대한 빠르고 효율적으로 만들어 내는 것이 이윤을 극대화시키는 방법임을 깨닫고 대량생산 체제를 도입하였다. 자동차 부품을 만드는 과정에서 일정한 속도로 유지되는 자동 조립라인의 설치는 생산량을 크게 늘어나게 하는 계기가되었다.

포드의 공장은 빠르고 부드럽게 돌아가는 공장기계가 되었지만 그 결과 산업사회의 기계화된 효율성과 비인간적 풍토를 대표하는 모델로 비판받았다. 그러나 임금은 높았기 때문에 노동차가 중산층으로 진입하는 사례를 만들었다.

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전자기파 확인: 전자기파 발생검출장치

독일의 물리학자 헤르츠(H. R Hertz, 1857~94)는 1888년 전자기파 발생 장치와 전자기파 검출 장치를 만들었다. 즉, 헤르츠는 약간 떨어뜨린 두 극을 포함한 전기 진동 회로를 만들고, 유도 코일을 이용하여 두 극에 고전압을 걸어 불꽃 방전을 발생시켜 공간으로 전자기파가 퍼져 나가도록

하였다. 순간, 이 회로와 떨어져 있는 곳에 놓인 전자기파 검출 장치에 불꽂 방전 현상이 나타나는 것을 관찰하였다.

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전자기파 확인: 전자기파 발생검출장치

또 헤르츠는 전자기파의 직진, 반사, 굴절현상도 관찰하여 전자기파가 빛과 같은 성질을 가지고 있다는 것을

증명하였다. 이것은 맥스웰이 전자기 방정식을 이용하여 이론적으로 예언한 전자기파의 존재를 실험적으로 증명한 것을 의미한다.

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전자기파 확인: 무선통신

헤르츠가 죽은 이듬해 1895년 마르코니(Guglielmo Marconi, 1874 ~ 1937)는 헤르츠가 발생시킨 전자기파 소식을

듣는다. 그는 이로부터 송신자와 수신자를 연결해주는 선이 없어도 전자기파를 이용한 통신이 가능할 것이라는

생각으로 무선 통신을 연구하게 된다.

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전자기파 확인: 전자기파의 원리

전자기파가 공간을 퍼져나가는 원리는 다음과 같다. 코일과 축전기를 연결한 회로에 교류전원을 연결하면 축전기

사이에서는 연속적으로 변하는 전기장이 형성된다. 축전기 사이에서 시간에 따라 변화하는 전기장은 주위의 공간에 변화하는 자기장을 만든다. 즉 변화하는 전기장이 변화하는 자기장을 만들고 변화하는 자기장은 다시 그 주위에

변화하는 전기장을 만든다. 이것이 연속적으로 서로를 재생산하며 진동하여 나가면, 전자기파가 공간으로 퍼져 나가는 것이다.

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전자기파 확인: 저주파수 전파

이렇게 만들어진 전자기파는 낮은 진동수를 가지며 전파라고 부르는, 주로 통신에 이용되는 파들이다.

라디오파, 텔레비전파, 레이다 또는 전자레인지에 이용되는 마이크로파 등이 있다.

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전자기파 확인: 고주파수 전파

좀더 높은 진동수의 전자기파는 보통 빛이라고 말해지는 파들이며, 적외선, 가시광선, 자외선이다. 이러한 파들은 원자 내부의 전자가 가진 에너지 준위가 변할 때

만들어진다. 적외선은 주로 물체를 따뜻하게 하며 가시광선은 사물을 볼 수 있게 한다. 자외선은 좀 더

진동수가 높은 파로써 피부를 태우거나 피부암을 일으키는 원인으로 알려져있다.

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전자기파 확인: x선과 감마선

이보다 진동수가 더 높은 X선도 원자 내부의 전자가 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로 떨어지면서 발생시킬 수 있다. 그러나 이러한 방법으로 10²⁰Hz이상인 진동수를 가진 파는 발생시킬 수 없다. 이 이상의 진동수를 갖는

감마선은 불안정한 원자핵이 안정한 핵으로 변할 때 나온다.