전기의 역사

 

전기의 역사

 기원전 550년경 고대 그리스 철학자 탈레스는 베 조각을 호박에다 문질러 열을 내어 종이.실.새깃.털 등 가벼운 물건을 끌어당김으로써 전기의 원리를 발견했다.

 기원전 500년경에는 페르시아에서 역제가 시행됐다. 10세기 이후 유럽에서는 각종 기계의 설계가 본격적으로 이루어졌다. 15세기 중엽 독일의 구텐베르크는 활자인쇄기를 발명, 근대문명의 시조로 추앙받고 있으며 이어 1789년 철제인쇄기의 등장으로 이어졌다.

 18세기 후반에는 영국을 중심으로 산업혁명이 일어났다. 늘어나는 수요를 따라잡기 위한 대량생산은 각종 기계의 발명으로 가능했다. 이 시기 와트에 의해 증기기관이 개량되어 모든 기계의 동력원으로 이용되기 시작했다.

 

 1833년에는 원시 컴퓨터랄 수 있는 순차제어식 계산기가 찰스 바베지에 의해 고안됐다. 19세기의 발명은 전신에서 시작됐다. 전신에 커다란 영향을 미친 것은 1837년 미국의 청년화가 모스가 특허를 출원한 전신기였다. 전신기는 전화 발명으로 이어지게 됐다.

 1837년 영국의 쿠크와 휘트스톤도 5개의 자침을 이용해서 알파벳을 전송하는 전신기를 창안해서 특허를 출원했다. 전화는 벨과 그레이에 의해 거의 동시에 발명되었다. 음성을 전기적으로 전달하는 것이 기술적으로 가능하다고 판단한 벨은 연구에 들어가 1876년 2월에 특허를 신청했다.

 

 19세기에는 또한 전자기의 원리 발견도 본격적으로 이뤄졌다. 먼저 정전기의 본질과 양적연구가 쿨롱에 의해 실시됐다. 암페어는 전류에 의해 자침이 움직이는 현상을 확장하여 전류상호작용의 원칙 등을 발견했고 볼타는 전지발명으로 휴대형 전원을 실현했다.

 

 옴은 전기학 체계를 확립했으며 패러디는 전자기 유도현상을 발견했다. 맥스웰은 전자기학 기초방정식을 정립했고 프랭클린은 연의 실험으로 번개가 전기라는 것을 입증해냈다. 1879년에는 에디슨에 의해 백열전구가 발명됐다. 에디슨은 이어 1891년까지 축음기.촬영기.영사기 등을 잇따라 발명함으로써 음성정보나 영상정보의 기록이 일반화됐다.

1. 전기는 어떻게 발견되었나

 전기가 인간에 의해 처음으로 인식된 것은 고대 그리스시대의 일이다. 그것은 장식품으로 쓰이고 있던 호박이 작은 물체를 끌어당기는 현상을 발견하였을 때이다. 원래 호박은 황금색을 띤 전기를 통하지 않는 물질이며, 그 색채의 아름다움으로 그 당시의 귀인들이 장신구로서 이용했던 것 같다. 호박의 원석을 구슬같이 구형이나 곡옥(曲玉)모양의 장식품으로 만들려고 가공하거나 갈고 있을 때, 우연하게도 호박이 전기를 띤 작은 물질을 끌어당기는 현상을 발견했을 것이 분명하다.

 

 그런데 전기를 띤 호박은 작은 물질이면 무엇이든지 다 끌어당겼을 리는 없다. 종이나 털과 같이 전기가 통하지 않는 작은 절연물에 한했다 . 호박과 종이 혹은 유리와 털과 같은 다른 두 종류의 절연물을 서로 마찰시키면, 양자간에는 전하의 이동이 생겨 서로 다른 전 기를 띠게 된다. 이런 종류의 전기는 물질을 마찰해서 발생하므로 마찰전기라고 부르게 되었다.

 호박에 마찰전기가 발생하고 있다는 사실을 몰랐던 고대 그리스 사람들은 호박 속에 신(神)이 머물러 있다고 믿으며 이해하려 했다. 그리고 그 호박을 호신을 위한 부적으로 몸에 달고 다녔다고도 전해지고 있다. 또, 철학자들 사이에서는 마법의 돌로서 주목받았다. 기원전 4세기경, 철학자 탈레스는 이 흡인력을 그때까지 우주를 지배하고 있는 요소로 믿고 있었던 '천지화수'와 다른 새로운 요소로 생각하였다.

 

 그리고 마력을 갖고 있는 호박을 전자(electron)라고 이름 붙였다고 전해지고 있다. 물론 탈레스가 호박을 전자라고 이름 붙인 확실한 증거는 없지만, 물질을 흡인하는 힘은 그 당시 인간의 상상을 초월한 어떤 것이었다고 생각하였을 것은 틀림없다. 16세기 말에 영국의 의학자 길버트는 양의 전기와 음의 전기가 끌어당기는 마찰전기를 실험적으로 증명, 이 현상에 관해 자신이 주장한 가설이 정확하였다는 것을 보여 이 현상을 학문적으로 통일하였다.

 

그리고 1600년에 이 마찰전기를 저서 [De Magnete](전자기론)에서 'Electrica'로 이름지었다. 그 후 46년이 경과한 1646년에 영국의 브라운은 저서 [Pseudodoxia Epidemica](유행 하는 외견상의 도수관)에서 전기(Electricity) 라는 말을 쓰고 있다. 이 말이 서서히 사람들 사이에 전달되어, 현재 쓰이고 있는 전기라는 용어로서 남게 된 것이다.

2. 불꽃방전의 발견

 길버트가 발표한 앞서의 가설에 자극을 받은 당시의 학자는 여러 가지 물질에 대해 같은 실험을 반복하였다. 마찰전 기를 발생하는 물질 중에서도 특히 황이 주목되었다. 황은 용해되기 쉽고, 가공이 간단하며, 마찰로 발생하는 전기가 많은 점 등으로 해서 17세기에서 18세기에 걸쳐 마찰전기의 연구재료로서 이용되었다. 그 당시 호박이라든가 황을 이용하여 만든 구형의 덩어리를 회전시키는 실험을 하고 있는 도중에 우연히도 마른손으로 이 덩어리를 만졌을 때 강한 전기가 발생하는 현상에 접했다.

 

 그 후 마찰전기에 의해 불꽃방전이 생기는 사실도 발견되었다. 이 불꽃방전시에 생기는 발광은 그 당시 과학자들 사이에서는 기존의 설로써 설명되지 않아, 불가사의한 현상으로서 주목받고 있었다. 불꽃방전에 흥미가 쏠리게 되면서, 많은 과학자들은 전기를 모아둘 수 없을까 하는 문제를 생각하였다. 네덜란드 라이덴대학의 뮈센브뢰크는 1746년에 유리용기에 물 같은 것을 넣고서 여기에 전기를 모아두는 데 성공하였다.

 

 그 후 이 축전지는 라이덴병 이라 불리게 되었다. 전기를 모은 축전지를 사람의 손으로 만지면 강렬한 충격을 받는다는 사실도 알았다. 이 현상은 충격놀이로서 순시간에 전세계로 퍼져, 일본에는 히라가(平賀源內)에 의해 에도(江戶)시대 후기인 1776년에 마찰전기를 발생시키는 기전기가 소개되었다.

3. 서로 끌어당기는 전기력의 법칙화와 쿨롱의 법칙

 길버트는 마찰전기를 상세히 연구하였으나, 양전기와 음전기 사이에서 생기는 흡인력에 관한 법칙까지는 밝힐 수가 없었다. 그 후 프랑스의 쿨롱은 양전기와 음전기가 끌어당기는 현상이 뉴턴이 발견한 만유인력의 법칙과 비슷한 현상이라는 가 설을 세우고 여러 가지 실험사실에 의해 그 가설의 타당성을 확인하였다. 이렇게 해서 생겨난 것이 쿨롱의 법칙이다. 그것이 1 785년의 일이다. 이 법칙에 의해 그때까지 확실치 않던 마찰전기가 이론적으로 통일되었다. 이 법칙에 지배되는 모든 전기현상 은 전하가 시간적으로 변화하지 않는 것을 전제조건으로 하고, 정전기(靜電氣)현상이라 한다.

4. 전기가 흐르는 것의 발견

 그런데 1777년 절연물의 표면상에서 불꽃방전을 일으키는 실험을 하고 있던 독일의 리히텐베르크는 비길 데 없이 기 괴하고 아름다운 방전도형을 기록하는 데 성공하였다. 이것은 절연물 표면상에서 불꽃방전을 일으킨 후, 우연하게도 황의 착색 분물이 절연물의 표면상에 떨어져, 그 표면상에서 방전이 진전하는 과정이 색도형으로서 기록된 것이다. 방전도형 전체에 음의 전하를 띤 황백색의 황 분말이 부착되어 있는 사실로 보아, 황이 존재하였던 곳에 양극성의 전하가 존재하여 '쿨롱의 힘'에 의해 부착된 것으로 결론지었다.

 

 이러한 사실로서 절연물의 표면상에서는 양극성의 불꽃방전이 생기고, 그 표면상에는 양극성의 전하가 남아 있다는 것을 알게 되었다. 이것은 전기가 물질의 표면을 흐른 사실을 증명한 세계 최초의 실험이었다. 이 관측방법은 리히텐베르크도법이라 하며, 발견이 래 200년 이상이 경과한 현재에도 방전현상의 연구에 이용되고 있다. 제록스 등의 건식복사기의 원리도 본질적으로는 리히텐베르크도법과 같은 것이다.

5. 신경을 흐르는 갈바니 전기의 발견

 불꽃방전과 비슷한 자연현상에 천둥이 있다. 고대인은 천둥이 뇌신(雷神)이 인간에게 노여움을 나타내는 현상으로 믿고 있었으나, 18세기 중엽에 이르러 여러 가지 관측결과에서 어쩌면 천둥은 실험실에서 생기는 불꽃방전과 같은 현상이 틀림없을 것이라고 생각하게 되었다. 1752년 미국의 프랭클린도 이렇게 생각한 연구자의 한 사람이며, 그러한 사실을 연날리기 실험에 서 처음으로 확인하였다. 천둥은 지금도 설명할 수 없는 점이 많고, 또한 그 현상을 예측하기 어려우므로 여름, 겨울 할 것 없이 사람들을 공포 속으로 몰아넣은 자연현상의 하나이다. 요즘도 천둥의 전기는 포착할 수 있다고 여겨 연구를 계속하고 있는 학자가 많다.

 

 그런데 1791년 이탈리아의 의학자 갈바니는 개구리 해부를 하고 있던 중, 그 주변에서 불꽃방전이 생기면 그 불꽃의 발생과 동시에 개구리의 다리가 움직이는 현상에 주목하였다. 이것은 개구리 체내의 신경에 전류가 흘러서 나타나는 현상이며, 전류를 발견한 순간이라고 할 수 있다. 이 시대에는 전류란 말은 사용되고 있지 않았으므로, 전류가 흐르는 현상은 갈바니 전기라고 했다.

6. 전류발생장치의 등장

 1799년 이탈리아의 물리학자인 볼타는 현재 우리들이 이용하고 있는 전지와 같은 원리로 작동하는 전기의 발생장치를 발견하였다. 그 결과로 전류를 연속적으로 끄집어낼 수 있게 되었으며, 이때부터 동전기 시대가 시작되었다고 할 수 있다.

 

 그 후, 흡인작용과 반발작용에 지배되는 정전기현상과 전류에 지배되는 동전기현상을 총괄한 전기현상을 전기로 부르게 되었다. 1873년에 영국의 맥스웰에 의해 제안된 가설에 의해, 그 이전에 알려져 있던 여러 가지 잡다한 실험적 사실과 입증이 끝난 가설 이 이론적으로 통일되었다. 이렇게 해서 전기이론의 기초가 확립되었다.

7. 전자의 발견에서 근대 일렉트로닉스 시대로

 1897년 음전하를 띤 전자가 발견되어 전기는 전자의 이동에 의한 것이라는 사실이 밝혀졌다. 그렇지만 맥스웰이 유 도한 전기이론을 미시적인 시각에서 전자의 이동에 기초하여 수정하기까지에는 이르지 못하였다. 전자의 발견에 의해 제시된 사 실은 전자가 흐르는 방향이 전류가 흐르는 방향과 반대라는 것이며, 전기를 해석하는 데 거시적인 취급을 하여도 아무런 불편이 생기지 않았다. 이렇게 전기는 발전을 거듭하여 음극선의 발견,발전기의 발명,전파의 발견,트랜지스터의 발견으로 시작되는 광학전자시대의 개막을 가져오게 된 것이다.