정전기의 역사와 패러데이의 전기력선

[김형]

18세기의 '프랑스' 과학자 쿨롱은, 종류가 다른 두 막대가 갖는 전기는 서로 상반된 성질을 가졌고, 같은 전기를 띤 물체끼리는 서로 반발하는 것을 발견하고 이 전기력을 표현하는 쿨롱의 법칙을 세웠다.

오늘날 전하량의 단위를 '쿨롬'이라고 정하고, 전하간에 작용하는 힘을 쿨롱력(Coulomb force)이라고 칭하게 된 것은 그의 연구공로를 기념하기 위한 것이다.

전기력선은 패러데이에 의해서 처음 발견되었고, 따라서 그는 대전체의 전기력은 이 전기력선의 탄젠트방향으로 작용한다는 사실과 또 대전체 주변에 위치한 점전하에 작용하는 전기력은 이 점의 전하에 집중되는 전기력선의 분포밀도로써 나타낼수 있다고 주장하였다고 한다. 그러나

자연현상을 수리적으로 정량화하여 표현하는 것이 유행이었던 18세기에는 그의 주장은 묵살되었고 전기력이 작용하는 공간을 전기력장(electric field)으로 정의, 지구의 중력장과 같은 개념에서 이것을 유형화 했다.

이것이 본서에서는 크게 잘못되어 있다는 것을 지적하고 있다.

- 수축탄성력: 전기력선은 외력에 의하여 휘어졌을때 원래의 곧은 직선형태로 되돌아가려는 탄성이 있다. 그렇기 때문에 전기력선들이 두 전하 사이를 닫힌 고리형태로 연결될때 이들은 가급적 짧은 경로를 거치려는 속성을 가진다.

같은 양의 +,- 전하를 가진 두 막대를 미세한 유리가루를 분산한 절연유에 담갔을 때 나타나는 전기력선.

F = f1 - f2

F: 총 쿨롱력

f1: 두 전하간의 인력

f2: 반발력

그림에서 보듯이 f2는 이제까지 고려대상이 아니었다고 한다. 왜냐하면 f1의 힘히 훨씬 세었기 때문이다. 그 이유는 본서에서는 f2전기력선의 길이가 너무나 길게 연결되기 때문이라고 한다.

본서에서 종합적으로 쿨롱력을 이렇게 정의하고 있다.

  상반된 전하를 가진 입자들간에 작용하는 쿨롱인력의 본질은 이 두 전하를 연결하는 전기력선들의 수축탄성이라고 할 수 있고, 같은 종류의 전하 사이에 작용하는 쿨롱반발력은 이들 전기력선들의 압축반발력과, 각각의 전하의 무한대의 공간과의 사이에 연결된 전기력선들의 수축탄성에 의한 합력이라고 할 수 있다.

  영구자성이 쇠붙이를 끌어 당기는 힘이 있다는것은 누구나 잘알고있는 사실이다. 그렇다면 이것의 힘의 근원은 무었인가?

현대물리학에서는 자력의 근원을 하전입자의 '스핀'(spin)에너지라고 설명하고 있다고 한다. 하지만 본서에서는 수축탄성력과 압축반발력 즉 자기력선에 근거한다고 하고있다.

참고로 영구자석이 비자성물질을 끌어당기지 못하는 것은, 영구자석에서 발하는 자기력선들은 비자성물질과는 연결고리를 형성하지 않기 때문이다라고 되어있다. 아직까지 비자성물질과 왜 연결고리를 형성하지 않는지는 잘 이해가 가지않는다.

혼자하는 공부다보니까 질문을 할곳이 없어서 아쉽지만 최대한 본서에서 설명하는 근거하에 본인의 스터디 노트를 작성하려고 한다. 그렇게 표현하는게 좋을듯 싶다.