고대 그리스 신화에는 ‘파에톤과 태양 마차’ 이야기가 있습니다. 태양신 아폴론의 아들인 파에톤이 태양 마차를 서툴게 몰다 제우스에게 번개를 맞아 죽게 되었는데요. 슬퍼하는 파에톤의 어머니와 누이는 제우스에 의해 나무로 변하게 되었고, 후에도 계속 눈물을 흘렸다고 합니다. 이 눈물이 굳은 것을 ‘엘렉트론(elektron)’이라고 불렀습니다. 바로 호박(Amber)이죠.
기원전 600년경 그리스의 철학자 탈레스(Thales)는 모피로 호박을 닦다가 이상한 현상을 발견했습니다. 먼지나 깃털같이 가볍고 작은 물체들이 날아와 달라붙었다가 떨어지는 모습을 본 것인데요. 하지만 당시 기술로는 이런 현상을 설명하지 못했습니다.
사람들은 엘렉트론에 신이 깃들어 있어서 물체를 끌어당기는 것이라고 생각했습니다. 이로부터 오랜 시간이 지난 16세기, 영국의 물리학자 윌리엄 길버트(William Gilbert)가 연구를 통해 전기와 자기를 구별해내는 과정에서 호박의 효과를 빗대어 ‘엘렉트리쿠스(electricus)’라는 단어를 사용하게 됩니다. 이것이 우리 일상에 없어서는 안되는 ‘전기(electricity)’의 유래입니다.
이때부터 전기에 대한 연구가 빛나기 시작했습니다. 이 과정에서 과학자들은 단위로 이름을 남기게 됩니다.
암페어(A)
7개의 국제 기본단위 중 전류의 단위인 암페어(A)는 프랑스의 물리학자 앙페르(André-Marie Ampère)의 이름에서 유래된 단위입니다.
우리가 앙페르와 가장 친숙한 것 중 하나로 ‘앙페르의 법칙(Ampère’s law)’이 있습니다. 전류가 흐를 때 주위에 생성되는 자기장의 방향과 크기를 나타내는 법칙인데요. 마치 오른나사를 돌리는 것과 방향이 일치해 ‘오른나사의 법칙(Law of clockwise screw)’이라고 부르기도 합니다. 오른손 엄지손가락을 도선에서 전류가 흐르는 방향으로 향하게 한 뒤 나머지 손가락을 감싸 쥘 때, 손가락이 감기는 방향이 자기장의 방향을 나타내게 됩니다.
또 다른 앙페르의 대표업적으로는 전류가 흐르는 두 도선 사이에 인력과 척력이 작용한다는 사실을 발견한 것을 꼽을 수 있습니다. 당시 전기는 도선을 타고 정전기가 이동하는 현상이라고 여겨졌고, 자기는 두 극을 통해 서로 끌어당기거나 밀어내는 현상으로 여겨지며 완전 별개로 생각되어 왔는데요. 앙페르는 이 사이에 작용하는 힘이 도선의 길이와 전류의 세기, 도선사이의 거리 등에 따라 달라진다는 것을 수식으로 표현했는데, 이 공식이 ‘앙페르의 힘의 법칙(Ampère’s force law)’입니다.
앙페르가 발견한 법칙이나 연구는 후에 전자기학, 전기동역학과 같은 근대 전기학의 초석이 되었고 패러데이(Michael Faraday), 맥스웰(James Clerk Maxwell) 등에게 영향을 끼쳤습니다. 이를 기리기 위해 전류의 단위에 앙페르의 이름이 들어간 것입니다.
다만 암페어의 기존 정의인 ‘무한히 길고 무시할 수 있을 만큼 작은 원형 단면적을 가진 두 개의 평행한 직선 도체가 진공 중에서 1 m의 간격으로 유지될 때, 두 도체 사이에 매 m당 2×10-7 N의 힘을 생기게 하는 일정한 전류’는 현실적으로 실현할 수 없는 부분이 많아 지적을 받아왔습니다.
이를 해결하기 위해 ‘기본전하량(e)’을 기준으로 한 연구가 지속되어 왔고, 2018년 11월 프랑스에서 개최된 제26차 국제도량형총회(CGPM)에서 암페어 단위의 재정의가 결의되었습니다. 이로써 암페어는 킬로그램(kg), 켈빈(K), 몰(mol)과 함께 오는 5월 20일부터 새롭게 태어날 예정입니다.
볼트(V)
수압, 풍압과 같이 전기에도 전압이 존재합니다. 전압이란 전류가 흐르는 도체에서 두 점 사이의 전위차인데요. 전위에 따라 방향이 결정되고, 전위차에 따라 흐르는 전류의 양도 달라집니다. 전위차가 클수록, 즉 전압이 클수록 전류가 많이 흐르는 것이죠.
이를 나타내는 전압의 단위는 볼트(V)입니다. 볼트는 최초의 전지인 ‘볼타 전지’를 개발한 이탈리아의 물리학자 볼타(Alessandro Volta)의 이름에서 유래됐습니다.
볼타가 전지를 개발하게 된 과정에는 갈바니(Luigi Aloisio Galvani)가 있었습니다. 갈바니는 개구리를 해부하는 과정에서 죽은 개구리 다리가 메스(scalpel)에 반응해 움찔하는 것을 발견했습니다. 이를 보고 전기가 개구리 몸속에 저장되어 있다가 금속에 반응했다고 생각했죠. 이를 ‘동물전기’라고 불렀습니다.
볼타 역시 동물전기에 관심을 가졌지만, 연구과정에서 전기는 동물에 저장된 것이 아니라 금속 사이에서 이동한 것이라고 생각했습니다. 이 원리를 이용해 은판과 아연판, 소금물에 적신 천으로 만든 것이 볼타 전지입니다. 기존에도 정전기를 이용한 라이덴병(Leyden jar)이 있었지만, 정전기의 특성상 잠깐 전기가 흐른 후 사라졌는데요. 볼타 전지는 두 금속판과 전해질을 이용해 계속해서 전류가 흘렀습니다.
즉, 멈춰있는 ‘정(靜)’전기의 시대에서 흐르는 전’류(流)’의 시대로 넘어가게 된 것입니다. 볼타 전지를 시작으로 전기화학은 크게 발전하게 되었고, 볼타는 앙페르와 마찬가지로 전기 단위 중 하나인 전압에 이름을 남기게 되었습니다.
옴(Ω)
앞서 소개한 전류와 전압은 서로 연관되어 있는데요. 이 둘과 떼놓을 수 없는 단위가 하나 더 있습니다. 바로 전기저항의 단위인 ‘옴(Ω)’입니다.
독일의 물리학자 옴(Georg Simon Ohm)은 전류와 전압, 저항의 관계를 정립했습니다. 옴은 도선의 굵기나 길이를 비교해가며 전기에서 저항의 영향력을 밝혀냈는데요. 이를 통해 전기저항의 단위에 이름을 남기게 되었습니다.
전기저항은 말 그대로 전류가 흐를 때의 저항(방해) 요인을 뜻합니다. 물로 비유를 한다면 수로의 폭과 길이, 불순물 농도 등이 있겠지요. 전류의 흐름은 전하가 이동하는 것을 의미합니다. 따라서 전기저항의 요소에는 전하의 이동에 영향을 주는 도선의 재료, 길이, 단면적, 온도 등이 있습니다.
전류(I)의 세기를 기준으로 놓는다면 전압(V)이 높을수록 전류의 세기는 강해지고, 저항(R)이 높을수록 전류의 세기는 약해지는데요. 이것이 전기와 관련된 공식 중 가장 유명하고 친숙한 공식 중 하나인 ‘V = I · R‘이며 ‘옴의 법칙(Ohm’s law)’이라고 부릅니다.
앙페르와 볼타, 옴 외에도 전기와 자기 분야에 이름을 남긴 과학자들이 있는데요. 쿨롱(C, 전하량), 패러데이(F, 전기 용량), 지멘스(S, 전기 전도도), 웨버(Wb, 자속), 테슬라(T, 자속 밀도), 헨리(H, 인덕턴스) 등이 단위에 이름을 남겼습니다.
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