아줌마들의 "아줌마들의 과학수다"

이공계 출신의 아줌마들이 어느 날 우연한 계기로 모여 과학기술에 관해 친절한 수다를 풀어내기 시작했다. 여성과학기술인지원센터(WIST)와 사이언스온 공동기획

[연재] "'정전세상' 겪고나니 전기에너지 다시 보이네"

아줌마들의 과학 수다

마흔일곱 번째 이야기-  전기


집중호우로 인해 전기가 끊긴 2011년 여름의 어느 일주일은 상상 이상으로 힘들었다. 13층을 걸어서 오르락내리락 하는 불편과 무엇을 해야 할지 몰라 서성이던 시간들.... 그래도 어두워지면 자고, 해 뜨면 일어나는 생체시계에 충실한 생활을 오랜만에 해 보았다. 서서히 달라지는 해 그늘의 변화에 책을 읽다가 문득 눈을 비비던 기억도 새롭다. 전기 없는 세상에는 필요치 않은 물건들이 정말로 많았다. 다 버리면 훨씬 더 넓고 쾌적할 텐데.... 그러나 다시 돌아온 전기의 세상은 그 쓸모없던 물건들로 하루가 편안하게 지나간다. 정전의 세상을 살아보니 얼마나 전기에너지에 의존하며 살고 있는지 알겠다. 매서운 한파가 예상되는 2011년 겨울, 전력부족으로 인한 정전사태가 올수도 있단다. 그래서인지 무심코 쓰던 에너지 '전기'에 대해 알고 싶어졌다. 전기에 대한 이야기를 시작한다.

/ 수다꾼:  박문영, 신지원, 이인숙, 최동수 (정리: 이인숙)






00electricity1지난 9월15일 여러 지역에서 갑작스런 정전 사태가 일어나, 아파트도, 공장도, 고층 빌딩도, 목욕탕도, 횟집도 삽시간에 아수라장이 됐다. 불이 나간 서울 여의도의 아파트 단지가 어둡다. 한겨레 자료사진




전기 하면 떠오르는 간단한 상식들


 

지원: 아들만 둘을 키운 저에게 전기는 완전한 잔소리 소재였어요. ‘만지면 안 된다.’ ‘무섭다’ 하며 아기였던 아들들을 쫓아다녔지요. 침을 흥건히 묻힌 손가락으로 손에 잡히는 무슨 도구든 콘센트 구멍에다 집어넣으려고 한 게 한 두 번이 아니었거든요. 아이의 눈으로는 적당한 높이에 뚫린 두 개의 구멍에 관심이 안 갈 수가 없었겠죠. 지금은 너무 흔한 안전캡이 10여 년 전쯤에는 수입품 코너에나 있었어요. 뻑뻑하기 그지없는 안전캡을 열심히 끼웠다 뺐다는 수고는 안전을 위해 감수할 수밖에 없었어요.

 

문영: 그러게요. 저도 전기 하면 생활에서 오는 막연한 두려움과 편리함이 먼저 떠오르네요. 실제로 전류를 만들어 내는 것은 음전하인 전자이니 전류는 음극에서 양극으로 흐른다고 표현하는 것이 맞겠지만 전자의 정체를 알기 전 전류의 방향을 정해 전류의 방향은 ‘양에서 음’이라고 말한다는, 학교 다닐 적 선생님의 말씀도 생각나네요. 엄격히 말해 이온에 의한 전자의 이동도 전류를 만들어 내니 ‘양에서 음’이 꼭 틀린 것은 아니라는 말씀도요. 전위라고 표현되는 에너지의 차이를 양과 음으로 표현하는 것은 참 참신한 아이디어라는 생각도 해 봐요.

 

SO_LIS인숙: 그러고 보니 전기를 이야기할 때 양성과 음성이라는 두 성질로 나누어 설명하네요. 이러한 성질은 왜 나타나는 걸까요? 음~물질을 구성하는 원자의 구조에서 찾을 수 있지 않을까요? 물질을 구성하는 기본 입자를 원자라고 하잖아요. 그 원자는 양의 전하를 가지는 핵과 음의 전하를 가지는 전자로 구성되어 있고요. 그리고 양의 전하와 음의 전하는 같은 양을 가지고 있어 원자와 원자로 구성되어 있는 물질은 기본적으로 중성을 띠고 있지요. 하지만 에너지가 주어지면 이 균형이 깨지게 되어 핵에 비해 가벼우면서 바깥 부분을 차지하는 전자가 이동하면서 두 가지 성질을 나타내게 되는 거지요. 전자가 떨어져 나가 양의 전하가 커지면  양성, 전자를 받아들여 음의 전하가 커지면 음성. 이러한 차이가 흐름을 만들고, 힘을 만들어 전기라는 현상을 일으키는 것이라 생각해요.

 

 

 

정전기 발견이 전기에너지의 시작


 

동수: 전기라고 하면 전기에너지를 말하는 것인가요? 전하, 전류, 전기장 등등 교과서에 나오는 물리용어에서는 전기의 정의를 분명이 배운 기억이 없어요. 일상적으로 많이 사용하는 용어인데도 정작 따져보면 구체적으로 무엇을 지칭하는지가 분명하지는 않네요. 양전하와 음전하는 서로 당기고 같은 전하끼리는 서로 밀어내는 힘이 존재하기 때문에 그 힘의 원리를 이용하여 아이에게 과학 공부를 재밌게 시킨다고 같이 놀던 기억이 나요. 책받침을 마구 문질러 머리카락을 위로 곤두세우는 마술 같은 놀이도 했죠. 정전기 현상의 원리를 이해하는 어른들도 여전히 풍선을 문질러 머리카락을 세우는 모습에는 웃음을 터뜨리게 돼요.

 

지원: 맞아요. 물질을 서로 부딪치거나 비비면 마찰이라는 에너지에 의해 각 물체의 표면에서 전자가 움직이죠. 전자를 얻은 쪽은 음성, 전자를 잃는 쪽은 양성의 성질을 갖게 되는 것을 대전되었다고 배운 기억이 나네요. 전기가 형성되었다는 뜻이지요. 이렇게 양성과 음성의 전기로 대전된 물체는 각각 반대 성질의 물체를 끌어당기는 현상이 일어나요. 즉 마찰이 생기기전과는 다른 힘이 생긴 거지요. 이미 기원 전 600년쯤에 그리스의 탈레스가 호박을 문질러 눈에 보이지 않지만 어쨌든 주변의 물질을 끌어당기는 힘이 존재함을 생각했어요. ‘문질렀더니 뭔지 모를 힘이 생겼다’ 는 호기심이 전기에너지 없이는 일주일도 버티기 힘든 현대 문명 속 우리들의 출발점이 아니었나 하는 생각이 드네요.

 

문영: 정전기를 사전에서 찾아보면 바를 정(正)자를 써서 양전기를 말하기도 하고 고요할 정(靜)자를 사용해서 이동하지 않는 전기를 의미하기도 하지요. 정전기 현상은 마찰에 의해 유도된 성질이 그대로 유지된다는 면에서 일상에서 쓰는 전기와는 구분이 돼요. 우리가 생활에서 쓰는 전기는 전자기 유도에 의해 만들어진 교류로 계속해서 성질이 변화하기 때문에 정전기와는 다르지요. 전기적으로 양과 음이라는 말을 사용할 수 없기도 하고요.


00staticelectro머릿카락의 정전기.  출처/ Wikimedia Commons

 

 

 

열이 되고 빛이 되고...다른 에너지 변신에 능한 전기


 

동수: 쿨롱의 법칙, 패러데이의 법칙, 렌츠의 법칙, 오른손 나사의 법칙 등…, 학교 다닐 때 전기에 대한 법칙을 많이 외우죠. 그런데 정작 수력이나 화력과 같은 에너지로 터빈을 돌려 전류를 생산하는 원리에 대해선 자세히 배우지 않았던 것 같아요. 이공계로 진학하는 경우야, 고등학교 때 배운 개념의 지식들이 많이 도움이 되었지만, 어려운 법칙들만 외우게 하니까 과학을 지겨워하는 학생들이 많은 것 같아요.

 

인숙: 그래요. 예전의 과학 교과서는 어려운 과학용어와 수식들로 가득 차 있어 책을 펼쳐보는 것도 싫어하는 학생들이 많았죠. 그런데 지금의 과학 교과서는 좀 다르더군요. 전기요금이 어떻게 부과되는지, 전기에너지를 왜 절약해야 하는지에 대한 내용도 들어 있는 실생활과 밀접한 과학 이야기를 다루고 있더라고요. 대부분의 학생들이 어려워하는 전자기 유도에 대한 설명도 발전소의 발전기를 예를 들어 설명하니 관심도 가고요. 발전기는 전류가 흐르는 도체 주변의 자기장을 변화시켜 전류를 얻는다고 해요. 전자기유도를 이용해 우리의 실생활에 없어서는 안 되는 전기에너지를 얻는 것이지요.

 

SO_JW지원: 처음에는 전기와 자기가 관련이 있다고 생각하지 않았대요. 우연히 전류가 흐르는 전선 주위에 있던 나침반이 흔들리는 것을 보고 전류가 자기장을 만든다는 사실을 알아내, 도체에 전류를 흐르게 하여 전자석을 만들게 된 거예요. 그렇다면 거꾸로 자기장을 변하게 하여 전류를 얻을 수 있지 않을까 하는 생각이 전자기 유도를 발견하게 되었고요. 전자기 유도가 발전기 뿐 아니라 우리의 일상에 많이 쓰이고 있어요. 하드디스크, 카세트테이프, 비디오테이프, 각종 카드, 통장 같이 자기기록장치가 있는 것들은 모두 전자기 유도 현상을 이용한 거예요. 상점, 도서관, 찜질방의 도난 방지 시스템이나 무인 속도 측정기는 상품에 자성물질을 부착시키거나 자동차 같은 금속의 도체가 전류가 흐르는 코일 주위에 가까이 오게 되면 자기장이 변해 유도 전류가 생기는 것을 이용한 거라 할 수 있어요.

 

문영: 전기에너지가 가장 활용도가 높은 에너지가 될 수 있었던 이유 중 하나는 다른 종류의 에너지로 쉽게 전환할 수 있는 성질 때문은 아닐까 생각해봐요. 스위치 하나로 전기 에너지를 빛으로 만드는 형광등과 열로 만드는 전기난로는 전기에너지의 변신을 목격할 수 있는 좋은 예라고 생각해요. 전기분해를 이용해 금속 표면에 도금을 하거나 자동차의 색을 입히는 데도 전기를 사용한대요. 전기제품의 누전이나 과전류로 인한 손상을 차단하는 회로차단기와 자기부상열차는 전류가 만들어내는 자기장을 이용해 작동해요. 전동차도 자기장 속에서 전류가 흐를 때 받는 힘을 이용하여 움직이고요.

 

 

 

에디슨과 테슬라의 '직류와 교류 전쟁' 이야기


 

인숙: 전동차라고 하니 생각나는 일이 있네요. 지난 11월 초 3호선 지하철 대곡역에서 폭발음이 들려 시민들을 놀라게 한 일이 있었어요. 지하철을 운행하는 서울메트로는 과전류로 인해 차단기가 내려가면서 생긴 소리라고 발표했지요. 하지만 차단기가 내려간 원인이 무엇인지에 대해서는 언급이 없었어요. 우리나라의 지하철은 직류로 운행하는 서울메트로와 교류로 운행하는 코레일로 나뉘어져 있다고 해요. 역과 역 사이의 운행거리가 길고 전동차의 수가 적은 코레일은 교류를 사용해 전기손실이 적은 고압의 전기를 각 전동차가 변압하여 사용하는 것이 경제적인 반면에, 차량이 많고 짧은 구간을 반복적으로 가다 서다 하는 서울메트로의 경우는 고압의 전기를 한 번에 저압의 직류로 바꾸어 운행하는 것이 경제적이기 때문에 다른 방식을 사용한다고 해요. 전동차의 차단기 작동 원인이 직류와 교류가 바뀌는 과정에서 과전류가 발생해서 생긴 일은 아닌가 하는 생각이 들더라고요. 정전 후 다시 전력이 공급되었을 때 오디오가 과전류로 고장 난 적이 있었거든요. 대부분의 전자제품들은 교류로 공급된 전류를 직류로 바꾸어 사용하잖아요. 같은 경우가 아닐까요?

 

지원: 접지 플러그와 콘센트를 사용했나요? 접지장치가 있으면 과전류가 발생해도 과전류가 접지 선을 통해 땅 속으로 흐르기 때문에 전기제품들을 보호할 수 있지요. 그래도 정전이 되면 가전제품들의 플러그를 빼 놓는 것이 안전해요.

 

SO_DS동수: 교류라는 말을 들으니 에디슨과 테슬라의 ‘직류와 교류의 전쟁’을 이야기 할 수밖에 없네요. 전기를 공급해 전구를 상용화하고자 했던 에디슨의 야망이 정류라는 과정을 거쳐 크기와 방향이 일정한 전류인 직류를 널리 보급하려고 했다고 해요. 하지만 전압을 바꾸려면 비용이 많이 드는 직류의 단점으로 인해 낮은 전압으로 송전할 수밖에 없었다고 해요. 그래서 전구의 불빛이 약하고 송전에 필요한 시설도 많이 필요해 이러한 단점을 보완하고자 에디슨이 테슬라를 고용했지만 교류 송전이라는 테슬라의 의견을 무시하고 자신의 주장만을 고집했다고 해요. 결국 나이아가라 폭포에서 발전한 전기를 송전하는 데 교류라는 방식을 택한 테슬라와 웨스팅하우스의 승리로 현재 우리가 쓰고 있는 전기가 교류가 되었다고 해요.

 

00edison_tesla » 토머스 에디슨(왼쪽, 1847–1931)과 니콜라 테슬라(1856–1943).

인숙: 직류와 교류를 쉽게 말하면, 1.5V(볼트)짜리 건전지와 꼬마전구를 연결하면 물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이 전류가 일정한 방향으로 흘러 불이 켜지는 방식을 직류라고 해요. 하지만 교류는 전류의 방향이 계속해서 바뀌지요. 우리가 사용하는 전기는 자기장의 변화에 의해 유도된 전류로 방향이 계속해서 바뀌는 교류예요. 변화하는 자기장에 의해 형성된 전자기파인 교류는 우리나라의 경우 60Hz(헤르츠)의 주파수를 갖고 있다고 해요. 나라마다 조금씩 다른 주파수를 사용한다고 하는데 이것은 아마 처음 발전할 때 나라마다 사용한 자기장의 변화가 조금씩 달라서 생긴 것은 아닐까 하는 생각이 들어요. 학교 때 배운 짧은 지식을 동원해 추측해 보건대, 유도전류를 만들기 위해 사용한 전자석의 감은 코일수가 다르거나 움직이는 속도가 달라서 만들어진 차이가 아닌가 하는 생각이 드네요. 교류는 전류가 흐르는 방향이 계속해서 바뀌기 때문에 전압을 변화시키는 것도 어렵지 않다고 해요. 그래서 먼 거리 송전에는 직류보다 유리했고요. 하지만 예전과 달리 지금은 송전기술이 발달해 교류보다 변압이 필요 없는 직류의 장점을 더 이용한다고 하니 아마 에디슨과 테슬러의 얘기는 서양의 세옹지마 같아요.

 

지원: 발전소에서 전기제품까지 전선과 콘센트와 플러그가 필요한 전기의 형태가 있다면 가지고 다니면서 사용할 수 있는 전기제품을 가능하게 한 것은 볼타전지의 발견이에요. 개구리의 근육에서 전기가 생성된다는 생체전기를 발표한 해부학자의 연구에 관심을 가진 볼타가 전해질 용액 속의 두 금속의 이온화 차이로 인해 전기가 흐른다는 것을 밝혀냈어요. 이게 바로 우리가 쓰는 배터리의 시작이라 할 수 있어요. 화학반응이 전기에너지로 변환되는 거지요. 집에 가면 휴대폰 배터리를 충전하고 갈아 끼우는 일이 일상의 습관이 되어 버린 것은 다 볼타의 덕이네요. 앞으로의 전기는 얼마나 값싸고 편리하고 오래가는 작은 배터리를 만들어내느냐의 싸움으로 가는 것 같아요. 그만큼 배터리로 만들어지는 전기가 중요한 시대가 될 거란 생각이에요.


00ligtening강력한 전기에너지의 흐름, 번개. 출처/ Wikimedia Commons

 

 

'무선충전으로 전기를 얻는다'


 

SO_MY문영: 전기를 충전하는 방식은 근래에 와서 크게 변하고 있어요. 콘센트에 전기플러그를 꽂고 충전하는 방식에서 무선으로 충전하는 방식으로 변하고 있지요. 서울대공원을 순회하는 코끼리열차는 전기자동차인데 전기충전을 도로 위를 달리는 것으로 하고 있다고 해요. 코끼리열차가 지나는 일부 구간에 전기선이 도로 밑에 깔려 있어 그 위를 도체인 열차가 지나가면 자기장의 변화로 인해서 유도전류가 생기고 이 전류가 무선으로 충전되는 거지요. 현재까지 개발된 전기 자동차의 단점 가운데 하나가 충전하는 시간이 길다는 것인데 운행하면서 충전이 된다면 주유소에서 주유를 해야 하는 지금의 자동차보다 훨씬 편리하겠어요. 그런데 무선으로 충전되는 전자기파는 강하지 않을까요? 인체에 해가 되지 않을까요?

 

동수: 달리는 자동차뿐만 아니라 많은 사람들이 사용하는 휴대폰의 무선충전도 연구가 활발히 진행되고 있어요. 하지만 무선충전을 위한 전자기파 유도가 인체에 해를 입힐 수 있다는 보고가 있어 실제로 판매하는 제품은 없는 것으로 알고 있어요. 주변의 전자기파를 이용해 움직이면서 무선으로 충전하는 기기들이 등장하고 도로를 달리는 것만으로도 충전이 되는 자동차가 등장한다면 소량의 전기로도 에너지를 효율적으로 사용할 수 있을 거예요. 환경오염 없이 에너지로부터 자유로운 세상을 살날이 빨리 왔으면 좋겠어요.

 

인숙: 주변에서 볼 수 있었던 정전기와 자석에 관한 호기심은 전기력과 자기력이 다르지 않다는 것을 알게 해 전자기력을 전기에너지로 이용하는 새로운 세상을 만들었어요. 사람들의 힘에 관한 관심은 힘을 만유인력과 강한 핵력과 약한 핵력과 전자기력 이렇게 크게 네 가지로 분류하던 시대를 지나 1990년대에는 전자기력과 약한 핵력이 같은 힘임을 증명하기에 이르렀지요. 요즘은 우주에 존재하는 힘이 하나라는 초끈 이론과 막 이론까지 등장해요. 우주의 시작이 하나의 힘에서 비롯되었다는 생각은 중성미자라는 소립자를 이용하여 또 다른 방식으로 우주와의 대화를 시도하고 있어요. 도대체 사람들의 상상력은 어디까지 일까요?

 

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과학수다팀
머릿속 과학을 쉽게, 편안하게, 재밌게 생활에서 끌어안다.” 못생긴 평 발의 등번호 21번 수다꾼(박문영), 뾰족코에 둥근 안경 수다꾼(신지원), 살포 시 웃음 짓는 빼빼 수다꾼(최동수), 볶음밥 위의 노른자 수다꾼(이인숙)이 수 다 팀을 꾸렸다.
이메일 : scienceon@hani.co.kr      

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