전자기파의 발견

[白山 김기수]

현대 문명에서 전자기파가 얼마나 중요한 역할을 하는지는 새삼 설명할 필요가 없을 것이다. 우리의 일상생활이 전자기파와

밀접한 관계를 가지고 있다는 것을 누구나 경험을 통해 잘 알고 있기 때문이다. 그러나 전자기파가 발견된 것은 그리 오래

전의 일이 아니다. 도선 속을 흐르는 전류가 주변에 자기장을 만드는 것을 본 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)는

어떤 전기 작용이 도선 밖으로 나오고 있다고 생각했다. 맥스웰(James Clerk Maxwell, 1831-1879)은 전자기학의 기초가

되는 맥스웰 방정식으로부터 수학적으로 전자기파의 파동 방정식을 유도하고 빛의 속도로 전파되고 있는 전자기파가 있을

것이라고 예측했다.

전자기파, 발견되기 전에 이론으로 예측된 것

그러나, 실험을 통해 전자기파를 발생시키고 그것을 안테나를 이용하여 수신하는데 성공한 사람은 독일의 하인리히 헤르츠(Heinrich Rudolf Hertz, 1857-1894)였다. 헤르츠는 1857년 독일의 함부르크에서 태어났다. 어려서부터 과학에 많은 관심을 보였던 헤르츠는 드레스덴, 뮌헨, 베를린에서 키르히호프(Gustav R. Kirchhoff), 헬름홀츠(Hermann von Helmholtz) 등의 지도를 받으며 과학을 공부했다. 1880년에 베를린 대학에서 박사학위를 받은 헤르츠는 헬름홀츠 아래서 박사후 연구원으로 있다가 1883년에 킬(Kiel) 대학의 이론물리학 강사가 되었고, 1885년에는 전자기파를 발견한 실험을 한 카를스루에(칼스루헤, Karlsruhe) 대학의 교수가 되었다. 헤르츠, 전자기파를 발견하다 전자기파를 발생시키고 그것을 수신하는 최초의 성공적인 실험은 1886년에 이루어졌다. 그는 고전압의 유도코일과 축전기(라이덴병), 그리고 좁은 간격을 두고 떨어져 있는 지름 2cm의 금속구로 만들어진 회로에 빠르게 진동하는 전류가 흐르도록 했다. 진동수는 축전기의 용량과 유도코일의 인덕턴스를 이용하여 조정했다. 이것이 전자기파의 발생장치였다. 실제로 전자기파가 존재한다는 것을 증명하기 위해서는 이 발생 장치에서 발생된 전자기파를 수신해야 했다.

카를스루에 공과대학의 헤르츠 기념관. “이  곳에서 헤르츠가 1885~1889년에 전자기파  를 발견하였다”라고 써 있다.

헤르츠는 1mm 두께의 구리선을 구부려 지름 7.5cm의 원을 만든 다음 한 쪽 끝에는 작은 구리 합금으로 만든 금속구를,

그리고 다른 쪽 끝에는 바늘을 매달아 금속구 가까이 놓고 나사를 이용해 바늘을 금속구에 아주 가까이 접근시킬 수 있도

록 했다. 이 수신장치는 전자기파 발생장치의 진동수와 같은 진동수를 가지도록 설계되었다. 전자기파에 의해 수신장치에

유도된 전류는 수백분의 1mm에 불과한 금속구와 바늘 사이에서 방전되어 전기 스파크를 일으키도록 했다. 이 장치를 이용

하여 헤르츠는 전자기파를 발생시키고 그것을 수신 안테나를 이용하여 수신할 수 있었다. 맥스웰이 그 존재를 예측한 전자

기파가 실제로 발견된 것이다. 헤르츠는 그의 연구결과를 [전기파: 전기 작용이 유한한 속도로 전파되는 것에 대한 연구]라

는 제목의 논문으로 발표했다.

헤르츠의 전자기파 실험장치.

이후의 물리학에 큰 영향을 준 헤르츠의 실험

헤르츠는 전자기파를 이용하여 많은 실험을 했다. 전자기파가 횡파라는 것을 확인했으며, 속도를 측정하여 빛의 속도와 같은

속도로 전파된다는 것을 확인하여 빛이 전자기파의 일종이라는 맥스웰의 주장을 증명했다. 1887년과 1888년에 헤르츠는

전파가 여러 가지 매질을 통해 전파되는 것을 실험했고, 매질의 경계에서 반사되는 것을 실험하여 미래의 레이더 기술에

응용될 사실들을 밝혀내기도 했다.

전자기파를 이용하여 실험을 하는 과정에서 헤르츠는 후에 양자 역학의 발전과정에 중요한 역할을 하게 되는 광전효과 실험

을 하기도 했다. 금속구와 바늘 사이에서 방전이 일어날 때 금속구에 자외선을 쪼이면 전자가 더 잘 방출된다는 것을 알게

되었다. 전자기파가 금속에서 전자를 방출시키는데 중요한 역할을 한다는 것을 알게 된 것이다. 1887년에 그는 전자기파를

이용하여 광전자를 발생시키는 다양한 실험을 하고 그 결과를 <물리학 연대기Annalen der Physik>에 발표했다. 그러나

헤르츠는 광전자의 발생과 관련된 현상을 설명하지는 못했다. 1905년 아인슈타인은 광전효과를 설명하는 논문을 발표

했다. 1921년 아인슈타인이 노벨 물리학상을 수상한 것은 이 논문 때문이었다.

전자기파의 중요성을 깨닫기 전에 죽은 헤르츠

헤르츠의 이름을 딴 하인리히헤르츠탑(Heinrich-Hertz-Turm). 헤르츠의 고향, 함부르크의 상징물이다. 전파 송신에 쓰인다.

헤르츠의 전자기파 발견은 인류의 생활방식을 바꾸어 놓을 역사적인 발견이었다. 그러나 헤르츠는 자신이 발견한 전자 기파의 중요성을 알아차리지 못했다. 자신이 발견한 전자기 파의 중요성에 대한 질문을 받은 헤르츠는 “.... 이것은 맥스 웰이 옳았다는 것을 증명해 주는 실험입니다. 우리는 이 실험을 통해 눈으로 볼 수 없는 신비한 전자기파가 존재한다 는 것을 알게 되었습니다. 그러나 전자기파의 발견이 별로 중요한 발견은 아닙니다.” 라고 대답했다고 전해진다. 헤르 츠는 자신이 발견한 전자기파가 무선 통신에 사용되는 것을 보지 못한 채 1894년 베게너육아종증이라는 병에 걸려 36세 의 나이로 독일의 본에서 사망했다. 1930년에 열렸던 국제전자기술위원회(IEC)에서는 헤르츠 가 전자기파를 발견한 것을 기념하기 위해 진동수의 단위로 헤르츠(Hz)를 사용하기로 결정했고, 1964년에는 국제도량 형총회(CGPM)에 의해 채택되었다. 1Hz는 1초에 한 번 진동 하는 진동수를 나타낸다. 헤르츠가 전자기파를 발견한 후 많은 과학자들이 전자기파 를 이용하여 무선통신을 할 수 있는 방법을 연구하기 시작 했다. 무선 통신의 연구에서 가장 성공을 거둔 사람은 이탈 리아의 마르코니(Guglielmo Marconi, 1874-1937) 였다.

1874년 이탈리아에서 태어난 마르코니는 무선전신을 발명한 공로로 1909년에 노벨상을 받았다. 어려서부터 과학과 전기에 관

심이 많았던 마르코니는 자신의 집 다락방에 실험 장치를 마련하고 실험을 시작했다. 그의 목표는 전자기파를 이용하여 원거

리에서 모스 부호를 주고받아 무선 통신을 가능하게 하는 것이었다. 많은 사람들이 같은 목표를 가지고 연구하고 있었지만

실용적인 장치를 만드는 데는 성공하지 못하고 있었다. 

마르코니, 전자기파를 실용화하다

마르코니는 헤르츠가 사용했던 것과 비슷한 발진(發振)장치와 수신장치를 이용하여 실험했다. 전신기의 자판을 누르면 길고

짧은 전자기파 신호가 발생되도록 했고, 수신장치에서는 수신한 신호의 길이를 이용하여 종이 위에 점과 선을 그려 넣도록

했다. 비슷한 실험을 한 사람들이 이미 있었지만 그들은 수 백 m 이상의 거리에서 신호를 수신하는데는 실패했다. 1895년

여름 마르코니가 전자기파 발생장치와 수신장치의 안테나 길이를 늘이고, 두 안테나를 수직으로 배열한 후 안테나를 땅에

닿도록 설치하자 수신 거리가 1.5km까지 늘어났다. 이 실험에 성공한 마르코니는 전자기파가 상업적으로나 군사적으로

중요하게 사용될 수 있을 것이라고 확신했다.

그러나 이탈리아에서 자신에 연구에 대한 재정적 지원을 받지 못하게 되자 21살이던 1896년에 어머니와 함께 영국의 런던으로 가서 영국 우체국으로부터 연구에 대한 재정적 지원을 이끌어내는데 성공했다. 1897년 3월 13일 마르코니는 최초로 브리스톨 해협에서 바다를 건너 6km 떨어진 두 지점 사이에서 무선 통신에 성공했다. 곧 이 거리는 16km로 늘어났다. 이 실험에 성공한 후 마르코니는 1896년 12월 11일과 1897년 6월 4일에 일반 대중을 위한 무선 통신에 대해 설명하는 강연을 하기도 했다.  무선 통신에 대한 연구가 국제적인 관심을 받게 되자 마르코니는 이탈리아, 프랑스, 영국, 미국에서도 무선 통신 실험을 했다. 1901년 12월 12일에 마르코니는 연에 매단 152.4m의 안테나를 이용하여 캐나다의 뉴펀들랜드와 영국의 콘월 사이에서 처음으로 대서양을 횡단하는 무선 통신을 성공시켰다고 발표했다. 두 지점 사이의 거리는 3,500km였다. 이 실험의 성공 여부에 대한 논란이 있기는 했지만 그의 이런 일련의 실험은 원거리 무선 통신이 가능하다는 것을 증명하기에 충분했다. 그 후 마르코니는 라디오 방송을 위한 많은 실험을 하기도 했다.

전자기파를 응용하는 대표적인 사례, 휴대전화.

앞으로 더 중요한 역할을 할 전자기파

헤르츠와 마르코니 같은 선구자들의 연구가 있은 후, 전자기파를 이용하는 연구는 눈부시게 발전되었다. 현재 우리는 지구

에서 멀리 떨어져 있는 다른 행성에 탐사선을 보내놓고 지구에서 전자기파를 이용하여 탐사선을 조종하고 있다. 태양계 탐사

를 마치고 우주 속으로 날아간 보이저 탐사선들은 명왕성 궤도보다 훨씬 더 멀리 날아간 후에도 지구로 전자기파를 이용해

신호를 보내고 있다. 우리가 일상생활을 하는 동안에 항상 사용하는 휴대전화나 TV, 라디오 등은 전자기파를 이용하는 대표

적인 기기들이다. 앞으로 전자기파는 우리 생활에서 더욱 중요한 역할을 하게 될 것이다.

글 곽영직 / 수원대학교 물리학과 교수

서울대학교 물리학과를 졸업하고 미국 켄터키대학교 대학원에서 박사학위를 받았다. 현재 수원대학교

물리학과 교수이다. 쓴 책으로는 [과학이야기] [자연과학의 역사] [원자보다 작은 세계 이야기] 등이 있다.