전기에너지의 존재

스마트폰 배터리 1개로 들어올릴 수 있는 사람 수는?

누구나 한 번쯤 천둥 번개 소리에 놀란 기억이 있을 것이다. 번개는 인간이 관측한 가장 오래된 자연 현상 중 하나다. 원시인들은 천둥 번개 치는 어두운 밤, 번쩍이는 섬광과 귀를 찢는 듯한 굉음을 피해 동굴로 들어가 두려움에 떨었을 것이다. 큰 소리나 갑작스런 불빛에 움츠리고 피하는 것은 현대인도 마찬가지인데 아마도 위험에 대처하던 원시인의 본성이 남아 있기 때문일 것이다.

번개의 전기에너지를 모아서 재활용한다면

번개는 엄청난 양의 전기에너지를 갖고 있다. 번개 한 개의 평균 에너지는 10억 줄(J) 정도다. 100와트(W) 전구를 약 6개월간 켤 수 있는 에너지다. 전세계적으로 매초 40~50개의 번개가 땅에 떨어지고 1년이면 약 14억 개의 번개가 발생한다. 이렇게 많은 번개의 에너지를 모아 재생에너지로 활용하면 좋겠다는 생각이 안드는 것은 아니지만, 번개의 에너지를 모으기는 쉽지 않다. 우선 한반도는 번개가 많이 치 는 곳이 아니다. 제곱킬로미터당 1년에 발생하는 번개의 수가 불과 10개도 안 된다. 그보다 더 어려운 점은 번개를 통한 전기에너지가 천 분의 1초에서 백만분의 1초 사이에 방출된다는 것이다. 이렇게 짧은 시간에 흐르는 전류를 모으려면 엄청나게 큰 용량의 축전기가 필요하고 또 그 과정에서 발생하는 에너지 손실을 막기 어렵기 때문이다.

우리는 전기를 사용하는 데 익숙하다. 휴대전화, 컴퓨터, 전등, TV, 지하철, 자동차 등 일상 생활에 사용하는 거의 모든 물건이 전기와 연결돼 있다. 우리에게 필요한 대부분의 기계나 기기도 모두 전기 에너지로 작동된다. 그런데 이런 전기로 일어나는 현상의 근원이 무엇인지 직접 확인하기는 매우 어렵다. 예를 들면, 번개 칠 때 나오는 섬광도 전기의 흐름 자체가 아니라 전기 흐름으로 발생된 열에 의한 빛이기 때문이다. 실제로 번개 불꽃의 푸르스름한 빛은 백만분의 1초의 짧은 시간 동안 약 5만 도 이상의 온도로 가열된 플라스마에서 나오는 것이다. 전기 흐름을 찾기가 어려운 것은 우리가 쓰는 가전제품 에서도 마찬가지다. 스마트폰이나 컴퓨터의 전기 회로에 흐르는 전 류를 직접 볼 수는 없다. 그렇다면 전기의 존재는 어떻게 확인할 수 있을까?

호박을 모피에 문지르면 깃털을 끌어당기는 힘이 생긴다.

전기의 존재를 확인하는 일은 고대 그리스까지 거슬러 올라간다. 전기electricity 를 띤 기본 입자를 전자 electronm라고 하는데, 그리스어로 '일렉트로 elektro'는 나무진의 화석인 호박을 뜻한다. 고대 그리스인은 모피에 문지른 호박이 깃털을 끌어 당기는 현상을 발견했다. 물론 당시에는 이것이 호박과 모피 사이의 마찰로 생긴 전기에 의한 현상이라 파악하지 못했지만, 고대 그리스인은 전기적 현상을 관찰했고 원인을 몰라도 호박으로 모피를 문지르는 과정에서 '어떤 힘이 생겨난 다는 것은 확인했던 것이다.

우리가 힘의 존재를 확인할 수 있는 방법은 물체의 가속도밖에 없다. 고대 그리스인이 목격한 전기의 존재는 마찰전기를 띤 호박이 깃털을 끌어 당계 호박 쪽으로 가속시키는 '힘'으로 확인된 것이라고 할 수 있다. 물체 를 가속시키는 '어떤 힘', 즉 전기력이 존재하려면 그 힘의 근원이 되는 '무엇'이 있어야 하는데, 그 존재가 바로 '전기인 것이다