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[근대] 패러데이 (브리)
패러데이 Michael Faraday 1791. 9. 22 잉글랜드 서리 뉴잉턴~1867. 8. 25 서리 햄프턴 코트. 영국의 물리학자·화학자. 많은 실험으로 전자기학(電磁氣學)의 이해에 크게 공헌했다 (→ 색인：과학사). 초기생애 대장장이의 아들이었던 그는 어릴 때 빵 한 덩어리로 1주일을 버티어야 할 만큼 가난했다. 교회 주일학교에서 읽기·쓰기·셈하기 등을 배운 것이 그가 받은 교육의 전부였다. 일찍부터 돈을 벌기 시작했는데, 14세에 서적상과 제본공의 견습생으로 들어갔으며 주인의 호의로 제본하려고 맡겨둔 책을 읽을 수 있었다. 그는 〈브리태니커 백과사전〉 제3판에 있는 '전기'(電氣) 항목을 읽고 과학에 매료되었다. 패러데이에게 런던의 영국 왕립연구소에서 열리는 H. 데이비 경의 화학강의를 들을 수 있는 기회가 생겼다 (→ 색인：데이비). 그는 이 강의에 완전히 빠져들었고 집으로 돌아와서는 과학공부를 계속하고 싶다는 실현 불가능해 보이는 꿈을 꾸게 되었다. 그는 데이비 경에게 자신의 취직자리를 부탁하는 편지를 썼지만 아무런 회답도 받지 못했다. 그러나 데이비 경은 그를 잊지 않고 있다가 1812년 자신의 실험실에 조교로 고용했고 패러데이는 당대의 위대한 학자 데이비 경 밑에서 화학공부를 시작했다 (→ 색인：기술). 1812년 그가 데이비 경에게 갔을 무렵 데이비 경은 당시의 화학을 변혁시키는 중이었다. 현대 화학을 설립한 프랑스의 A.L. 라부아지에의 몇 개의 단순한 원리는 1770, 1780년대의 데이비 경의 화학지식을 재정리하는 데 영향을 미쳤다. 이 원리 중에는 산소가 유일하게 연소를 돕고 모든 산(酸)의 기본이라는 이론이 포함되어 있었다. 데이비 경은 갈바니 전지로부터 나오는 강한 전류를 산화나트륨과 산화칼륨에 흘려줌으로써 나트륨과 칼륨을 발견한 후 강산의 하나로 알려진 염산의 분해에 관심을 돌렸다. 분해 생성물은 수소와 녹색을 띤 기체였는데, 이 기체는 연소를 돕고 물과 결합해 산을 생성했다. 데이비 경은 이 기체를 하나의 원소로 보고 염소라고 명명했으며 염산에는 산소가 조금도 없다고 결론지었다. 따라서 산도(酸度)는 산을 만드는 원소의 존재로 인한 것이 아니라 어떤 다른 조건에 의한 결과였으며, 화학적 특성은 특수한 원소에 의해서만 결정되는 것이 아니라 분자 내에서의 원소 배열 방식에 의해서도 결정된다고 주장했다. 패러데이에게도 중대한 결과를 낳게 했던 이러한 데이비 경의 생각은 18세기 R.G. 보슈코비치의 원자이론에 영향을 받았는데, 이 이론에 따르면 원자들은 인력과 척력의 교번자기장으로 둘러싸인 수학적인 점들이다. 이러한 1개의 점이 원소를 구성하고 여러 원소들이 모여 분자를 구성한다. 원자나 분자의 특징 중 하나는 이들을 이루는 '결합'들이 끊어지기 전까지는 상당한 장력하에 존재할 수 있다는 것이었다. 이 장력은 후에 전기에 대한 패러데이의 견해에 핵심적 역할을 했다. 그는 화학을 열심히 공부했는데 화학분석과 실험기술도 함께 익히면서 자신의 이론적 생각들을 발전시켰다. 이때의 생각들이 훗날 그의 연구를 이끌어가는 원동력이 되었다. 패러데이는 초기에 화학자로 명성을 얻었다. 분석화학자로서 그는 전문적인 증인으로 자주 법정에 불려갔고 소송의뢰인들이 내는 돈이 왕립연구소의 재정에 도움을 줄 정도였다. 1820년 에틸렌에서 수소를 염소로 치환하여 처음으로 탄소와 염소의 화합물(C2Cl6, C2Cl4)을 만들었는데, 이는 최초의 유도된 치환반응이었다. 1825년에는 벤젠을 분리해 이를 기술하기도 했다. 망원경용 광학유리의 질을 개선시키라는 런던 왕립학회의 연구과제를 완수하는 동안 굴절률이 매우 높은 유리를 만들었으며 이로 인해 1845년 반자성을 발견하게 되었다. 1821년 사라 버나드와 결혼하고 왕립연구소에 영구히 정착했으며 물리학에 혁명을 일으켰던 전기와 자기에 대한 일련의 연구를 시작했다. 1820년 H.C. 외르스데드는 도선을 흐르는 전류가 도선 주변에 자기장을 만드는 것을 발견했다. 앙드레 마리 앙페르는 그 자기력은 둥근 형태로서 도선 주위에 원통형 자기 효과를 나타낸다는 것을 보여주었다. 패러데이는 이 사실이 함축하는 바를 처음으로 이해한 사람이었다. 그것은 만일 자기극을 분리해낼 수 있다면 이 자기극은 전류가 흐르는 도선 주위에서 계속 원형으로 움직이리라는 것이었다. 실험기술에 능숙했던 그는 전기 에너지를 역학적 에너지로 전환시키는 장치를 만들어 이러한 결론을 확증했는데, 이것이 최초의 전동기였다 (→ 색인：전자기파). 이 발견을 계기로 그는 전기의 본질에 대해 깊이 생각하게 되었다. 그당시 사람들이 전기를 관을 통해 흐르는 물처럼 도선을 통한 물질의 흐름이라고 생각했던 데 비해, 그는 전기를 도체 내부에 생긴 장력의 결과로 전달되는 힘 또는 진동이라고 생각했다. 전자기 회전을 발견한 이후 행한 실험 중에는 전기화학적 분해가 일어나고 있는 용액에 편광된 빛을 통과시키는 것이 있었는데, 그는 전류의 통과에 의해 반드시 분자간 장력이 생긴다고 생각했고 이를 검출하려고 했다. 1820년대 이 생각에 기반을 두고 연구했지만 언제나 별 성과를 얻지는 못했다. 1831년 8월 29일 두꺼운 강철 고리의 한쪽에 절연된 도선을 감고 전지에 연결한 다음 반대쪽을 도선으로 감아 검류계에 연결시켰다. 그는 전지에 연결된 1차 코일에 전류를 통해줄 때와 끊어줄 때 검류계가 연결된 2차 코일에 전류가 흐르는 것을 발견했다. 이 현상을 보고 그는 도선 내 입자의 '전기긴장' 상태라는 것을 제안했는데, 비록 그가 '전기긴장' 상태에 대한 확실한 실험적 증거를 찾지는 못했지만 그의 후기 연구의 대부분은 이 생각에 바탕을 두고 있다. 1831년 가을 영구자석을 이용해 유도전류가 어떻게 생기는지를 밝히려고 시도했다. 그는 자석이 코일 안으로 들어가거나 밖으로 나올 때 코일에 전류가 유도된다는 것을 발견했다. 자석 주변에 철가루를 뿌렸을 때 볼 수 있는 '역선'(力線)이 바로 자석을 둘러싼 매질에 생기는 장력을 나타낸다고 생각했으며, 곧 유도되는 전류의 세기는 단위시간에 도체에 의해 끊어지는 역선의 수에 따른다는 법칙을 발견했다. 또한 강력한 자석의 극 사이에 구리 원판을 회전시키면 연속적인 전류가 생긴다는 것을 깨달았으며, 이 과정을 반대로 하면 전류에 의해 원판을 회전시킬 수 있었다(→ 색인： 발전기, 전자기유도). 패러데이가 이 실험들을 과학자에게 발표했을 때, 당시까지 연구된 여러 형태의 전기, 예를 들어 전기뱀장어나 정전발전기 등에 의한 전기의 동일성에 대한 의문이 일었다. 그는 이 모든 전기가 유체가 아니라 같은 형태의 힘이라고 확신했지만 실험을 통해 이 동일성을 분명하게 보여줄 수 없다는 것을 알고 있었다. 그는 1832년 모든 전기들이 정확히 같은 특성을 가지고 같은 효과를 나타낸다는 것을 증명하려고 시도했다. 핵심적인 효과는 전기화학적 분해였으며, 정전기를 제외한 다른 전기들은 이 효과에서 별 문제가 없었다. 이 문제에 대해 좀더 깊이 파고들어 2가지 놀라운 발견을 했다. 첫째, 전기력이 거리를 두고 화학분자를 분해시키는 작용을 한다는 당시까지의 생각과는 달리 전도되는 액체 매질을 통해 작용한다는 것이다. 둘째, 분해의 양은 용액을 통과한 전기의 양과 간단하게 연관되어 있다는 것이다. 이 발견들로 패러데이는 전기화학의 새로운 이론을 세우고 다음 두 법칙을 밝혔다 (→ 색인：패러데이의 법칙). 첫째, 전해전지의 각 전극에서 분해된 물질의 양은 전지를 통과한 전기의 양과 정비례한다. 둘째, 주어진 양의 전기에 의해 분해된 서로 다른 원소들의 양은 이들의 화학당량비를 따른다. 1839년경 그는 전기작용에 대한 새로운 일반적인 이론을 만들 수 있었다. 이는 모든 형태의 전기는 물질 내에 장력이 생기게 한다는 것으로, 장력이 급속히 감소할 때 물질을 따라 통과하는 장력의 순환적인 생성과 소멸이 반복된다. 따라서 모든 전기작용은 물체 내에서 생겨나는 장력의 결과였다. 후기생애 패러데이는 '자연력들의 통일성'이라는 것이 있다고 믿었다. 그에게 자연의 모든 힘들은 단일한 보편력의 여러 형태일 뿐이고 따라서 이 힘들은 서로 변화될 수 있어야 한다는 것을 의미했다. 1846년 왕립연구소의 강연에서 자신의 생각을 밝혔는데, 점원자와 이들의 무한한 역장(力場)에 대해 언급하면서 이러한 원자들과 관련된 전기력과 자기력선은 광파가 통과하는 매질로 작용할 것이라고 주장했다. 수년 뒤 맥스웰은 바로 이 생각에 근거해서 그의 전자기장 이론을 만들었다. 1845년 연구를 본격적으로 다시 시작했을 때 그가 다룬 문제는 오랫동안 자신을 괴롭혀왔던 가설적인 전기긴장 상태에 관한 것이었다. 그는 여전히 이 상태가 존재해야 하며 단지 자신이 아직 검출할 방법을 찾지 못했을 뿐이라고 믿고 있었다. 윌리엄 톰슨(후에 켈빈 경이 됨)은 그의 견해에 동의하면서 자기력선이 정전기력선보다 더 강하게 만들어질 수 있으므로 이것을 이용해 실험해볼 것을 제안했다. 이에 따라 패러데이는 자신이 1820년대에 개발했던 굴절률이 높은 광학유리에 평면편광된 빛을 통과시켰다. 그리고 이 광선과 전자석의 역선이 평행하도록 조절했다. 이 실험은 성공적이었고, 편광면이 회전하면서 유리 분자 속에 장력이 나타났다. 그러나 철선의 방향을 바꾸어도 이 회전 방향이 변하지 않는 것을 보고 장력이 유리 분자 속이 아니라 자기력선에 생긴다고 결론지었다. 편광면의 회전 방향은 역선의 극성에 의해서만 변했으며 단지 유리에 그 패러데이 효과가 검출된 것이었다 (→ 색인：패러데이 효과). 이 발견으로 그는 힘의 통일성을 더욱 확신하게 되었고 모든 물질이 반드시 자기장에 대해 어떤 반응을 나타낸다는 것에 몰두했다. 철과 같은 물질들은 결정이나 분자 구조의 장축들이 역선과 평행하게 정렬하는데, 이런 물질을 상자성(常磁性)이라고 불렀다. 또한 물질의 축들이 역선에 수직으로 정렬하는 것을 반자성(反磁性)이라고 명명했다. 1850년까지 그는 공간과 시간에 대해 파격적인 생각을 전개했다. 그에게 공간은 단지 힘과 물체의 위치가 아니라 전기력과 자기력의 장력을 유지해줄 수 있는 매질이었다. 세계의 에너지는 이러한 힘을 일으키는 입자들 속에 있는 것이 아니라 입자들을 둘러싼 공간에서 발견될 수 있다고 생각했다. 그리하여 장이론이 탄생되었다. 1855년부터 패러데이의 정신은 흐려지기 시작했다. 빅토리아 여왕은 그가 일생 동안 과학에 헌신한 것에 대한 보상으로 햄프턴 궁에 있는 집을 이용할 수 있도록 허락했다. 또한 기사작위를 주려고 했지만 거절했다. 그는 죽은 후 런던의 하이게이트 묘지에 묻혔다. L.P. Williams 글 참고문헌 저서 Experimental Researches in Physics and Chemistry : Michael Faraday, International Publication Service, 1969 연구서 물리이야기 : 로이드 모츠 외, 차동우 외 역, 전파과학사, 1992 위대한 과학자들 : 헨리 리 토마스·데이너 리 토마스 공저, 맹주선 역, 종로서적, 1984 과학의 역사 - 과학적인 사고의 발달에 관한 에세이 : 찰스 C. 길리스피, 이필렬 역, 종로서적, 1983 과학사의 뒷 얘기 II - 물리학(현대과학신서 25) : A. 섯클리프 외, 정연태 역, 전파과학사, 1973 Energy, Force, and Matter：The Conceptual Development of Nineteenth Century Physics : P. M. Harman, Cambridge University Press, 1982 Michael Faraday : L. Pearce William, Simon & Schuster, 1971 출전 : [브리태니커백과사전 CD GX], 한국브리태니커, 2004 |
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