전기의 탄생 — 전기를 발생시키는 물고기에서 전자기학까지

 

1. 루나 소사이어티의 여흥에서 시대의 중심으로

18세기까지 전기는 진지한 공학적 탐구 대상이라기보다 지식인의 흥미로운 여흥 거리에 가까웠다. 볼턴이 이끌던 루나 소사이어티의 응접실에서도 전기 실험은 자연 철학 토론의 주변부에 머물렀다. 그러나 19세기로 접어들면서, 전기는 증기를 대체할 또 다른 문명 변혁의 에너지로 부상하기 시작했다.

 

이 전환의 출발점에 예상치 못한 생물학적 발견이 있었다.

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2. 갈바니의 개구리 — 동물전기 논쟁의 시작

1780년대, 이탈리아 볼로냐 대학의 해부학자 루이지 갈바니(Luigi Galvani, 1737~1798)는 해부된 개구리 표본에 전기가 미치는 영향을 광범위하게 실험했다. 그의 관찰은 극적이었다. 금속 메스가 개구리의 신경에 닿는 순간, 또는 구리 고리를 통해 개구리를 철 난간에 걸어두었을 때, 죽은 개구리의 다리가 경련을 일으키며 마치 살아 있는 것처럼 움직였다. 갈바니는 이 현상이 동물 조직 자체에 내재된 독자적인 전기, 즉 '동물전기(animal electricity)'의 증거라고 결론지었으며, 이 견해를 1791년 발표했다.

 

당시 과학계는 흥분했다. 생명 현상의 근원이 전기에 있을 수 있다는 암시는, 신경 전도와 근육 수축의 메커니즘을 물질적·측정 가능한 방식으로 설명할 수 있는 가능성을 열었기 때문이다. 갈바니의 연구는 훗날 근대 전기생리학(electrophysiology)의 토대가 된다.

 

이 흥분의 파문은 영국 해협을 건너기도 했다. 전기를 발생시키는 시빌레이(전기가오리, torpedo fish)에 흥미를 가진 존 월시(John Walsh) 대령은 그 능력이 ​초기 축전기인 '라이덴 병(Leyden jar)'과 유사하다고 추론하며, 심지어 인공 시빌레이를 만들려 시도했다. 고대 그리스 시대부터 출산과 수술의 통증 완화에 사용되었다고 기록된 이 물고기는, 이제 근대 전기 이론의 맥락에서 새롭게 해석되고 있었다.

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3. 볼타의 반격 — 금속전기와 최초의 전지

갈바니의 발견에 처음에는 우호적이었다가 이내 정반대의 이론을 정립한 인물이 파비아 대학의 물리학자 알레산드로 볼타(Alessandro Volta, 1745~1827)였다.

 

볼타는 갈바니의 실험에서 근육 경련이 일어나는 상황을 면밀히 관찰한 끝에, 두 종류의 서로 다른 금속 — 황동 고리와 철 난간 — 이 항상 개입되어 있음을 발견했다. 그는 동물 조직 자체가 전기를 생성하는 것이 아니라, 습기를 머금은 조직을 매개로 두 이종 금속 사이에서 전기가 발생한다는 '금속전기(metallic electricity)' 이론을 제시했다.

 

볼타는 자신의 이론을 증명하기 위해 개구리를 아예 제거하고, 아연과 은(후기에는 다른 금속 조합) 원판을 교대로 쌓고 그 사이에 소금물로 적신 헝겊이나 판지를 끼워 넣은 장치를 제작했다. 전선으로 양 끝을 연결하면 — 볼타 자신은 처음에 자신의 혀에 직접 연결했다 — 지속적으로 전류가 흘렀다.

볼타 전지,  파비아 대학교 역사 박물관

 

볼타는 1800년 이 발명을 공개했다. 그가 보낸 서한에는 전지의 상세한 제작 방법이 첨부되어 있었다. 세계에서 가장 영향력 있는 과학자들이 모인 왕립학회(Royal Society)에 직접 서한을 보낸 것은, 자신의 발견이 갖는 역사적 중대성을 그가 직감했기 때문이었다.

 

볼타 전지의 혁명적 의미는 단순히 전기를 만들었다는 데 있지 않았다. 이전까지 전기는 마찰로 발생시키거나 라이덴 병에 저장해 한꺼번에 방전하는 '불꽃'의 형태였다. 볼타 전지는 인류 역사상 최초로 언제든 꺼내 쓸 수 있는 '흐름(전류)'을 제공했다. 오늘날 AA 건전지와 원리적으로 동일한 이 장치로, 전기는 비로소 통제 가능하고 지속적인 에너지 원천이 되었다.

 

두 이탈리아 과학자의 논쟁은 실제로 둘 다 부분적으로 옳았다. 근육 수축이 전기에 의해 유발된다는 갈바니의 통찰은 전기생리학의 초석이 되었고, 이종 금속 간 접촉으로 전류가 발생한다는 볼타의 이론은 전지 기술의 기원이 되었다.

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4. 외르스테드의 강의실 — 전자기학의 탄생

볼타 전지는 곧 전 유럽 과학자들의 손에 들려 새로운 발견의 연쇄를 촉발했다. 험프리 데이비(Humphry Davy)의 전기분해, 윌리엄 니컬슨의 물 분해 — 이 모든 발견이 안정적인 전류 공급원이 생긴 덕분이었다.

 

그 가운데 과학사 전체의 방향을 바꾼 사건이 1820년 4월 덴마크 코펜하겐의 한 강의실에서 일어났다.

 

덴마크의 물리학자 한스 크리스티안 외르스테드(Hans Christian Ørsted, 1777~1851)는 어느 날 저녁 강의 준비 중, 전류가 흐르는 전선 옆에 놓인 나침반 바늘이 전선 방향과 수직으로 편향되는 현상을 목격했다.

 

그는 이후 여러 달 동안 실험을 반복하며 전류의 방향을 바꾸면 바늘의 편향 방향도 반대가 되고, 나무나 유리를 전선과 나침반 사이에 놓아도 효과가 차단되지 않음을 확인했다. 그리고 1820년 7월 21일, 자신의 발견을 과학계에 보내는 팸플릿으로 발표했다.

 

이 발견의 의미는 즉각적으로 인식되었다. 윌리엄 길버트가 1600년에 전기 인력과 자기 인력의 유사성을 지적한 이래, 자연 철학자들은 두 현상의 연결 고리를 찾으려 했지만 200년간 실패를 거듭했다. 외르스테드의 나침반 바늘 하나가 그 오랜 수수께끼를 단번에 해소했다. 전류는 주위 공간에 자기장을 형성한다 — 전자기학(electromagnetism)의 탄생이었다.

 

외르스테드의 발표가 알려지자 며칠 만에 프랑스의 앙페르(André-Marie Ampère)가 전자기 이론에 관한 첫 번째 논문을 작성했고, 이후 아라고·푸아송 등의 연구가 빠르게 뒤를 이었다. 이 연쇄 반응은 마이클 패러데이의 전자기 유도(1831), 제임스 클러크 맥스웰의 전자기 방정식(1860년대)으로 이어지며, 전기 문명의 이론적 기반을 완성한다.

 

증기의 시대가 열과 압력으로 세상을 움직였다면, 전자기학이 열어젖힌 새로운 시대는 눈에 보이지 않는 장(field)으로 세상을 연결하게 될 것이었다. <끝>