마이클 패러데이의 전자기 유도 발견 3

전기력과 자기력의 전달

마이클 패러데이가 전자기 유도를 발견했을 당시, 많은 과학자들은 전자기 상호작용의 전기력과 자기력이 원격작용에 의해 작용하는 힘이라고 생각했습니다. 원격작용이란 서로 공간이 분리되어있는 물체와 물체 사이에 작용하는 힘이, 물체간의 공간에는 변화를 주지 않고, 직접적이고 순간적으로 물체 사이에 전달되는 작용을 말합니다. 예를 들어, 뉴턴이 발견한 만유인력 등도 원격작용으로 전해진다고 생각되고 있었습니다. 그러나 패러데이는 전기력선과 자기력선이라는 개념을 이용하여 전기력과 자기력이 근접작용으로 작용하는 힘이라고 주장했습니다. 근접 작용은 물체와 물체 사이에 작용하는 힘이 물체 사이에 존재하는 매질의 변화를 통해 간접적이고 유한한 속도로 전달되는 작용입니다. 전자기 유도의 실험 결과로부터 전계의 변화가 자계의 변화를 일으키고, 자계의 변화가 전계의 변화를 일으키는 것을 밝힌 그는, 전기나 자기는 매질을 통해 주위에 영향을 미친다고 생각하고, 1837년에 전자기의 근접작용을 주창하여 원격작용을 부정한 것입니다.

빛과 전자기

패러데이는 당시의 연구 논문에서 '물질의 여러가지 힘의 현상은, 하나의 공통의 기원을 가진다', '물질의 여러가지 힘의 현상은, 서로 관계·의존하고 있기 때문에 서로 변환할 수 있고, 그 작용의 크기는 동일하다'고 말하고 있습니다. 그가 말하는 '힘'은 현재의 과학 용어로 말하면 에너지입니다. 즉, 그는 에너지 보존의 법칙을 언급했습니다. 그리고 그는 여러가지 '힘'의 현상의 관계를 풀어낼 수 있을까 생각했습니다. 패러데이가 활약하고 있었을 무렵에는 이미 빛이 파장인 것을 알고 있었습니다. 빛이 파장이라면 빛도 근접 작용으로 전해지게 됩니다. 그는 전기와 자기가 상호작용하는 것처럼 빛이 전기나 자기와 상호작용하는 것이 아닌가 하는 의문을 가졌고, 이에 빛과 전자기의 관계를 조사하는 연구를 수행했습니다. 당시 빛은 진행 방향과 수직 방향으로 진동하는 횡파인 것으로 알려져 있었습니다. 태양이나 전등 등의 보통의 빛을 자연광이라고 합니다만, 이 자연광에는 다양한 면에서 진동하는 빛의 파장이 균등하게 포함되어 있습니다. 자연광이 유리나 수면에서 반사하거나 방해석의 결정이나 편광판을 투과하거나 하면 빛이 편광되어 하나의 평면에서만 진동하게 됩니다. 패러데이는 빛과 전자기의 관계를 조사하는데 있어 빛의 편광에 주목했습니다. 그리고 편광에 전기를 가하면, 빛의 진동면이 변화해, 빛의 파장을 변화시킬 수 있는지 확인하는 실험을 실시했습니다. 그의 실험장치는 양단에 전극을 부착한 가늘고 긴 케이지에 전도성 용액을 넣고 전극을 배터리에 연결한 것이었습니다. 그리고 빛을 유리판으로 반사시켜 만든 편광을 전기가 흐르고 있는 용액에 통과시켜, 편광의 진동면이 그림과 같이 회전할지 어떨지를 확인했습니다. 그는 전기를 연속적으로 흘리거나 간헐적으로 흘려 전계의 상태를 변화시켜 보았습니다. 또 빛을 통과하는 용액을 바꾸거나 전류와 빛의 방향을 바꾸거나 하는 등, 조건을 여러가지 바꾸어 실험을 실시했습니다. 그러나 그의 기대와는 달리 전기가 빛에 영향을 미친다는 결과는 얻지 못 했습니다.

빛과 자기장

빛과 전기의 관계를 찾지 못한 패러데이는 빛과 자기의 관계를 조사하기로 결정했습니다. 그는 강력한 전자석의 N 극과 S 극 사이에 편광을 통과시켜 자기장이 편광의 진동면을 회전시키는지 확인했습니다. 그러나 전계의 경우와 마찬가지로 자기장이 빛에 영향을 미친다는 결과는 얻지 못했습니다. 그래서 그는 전극 사이에 광학 실험용 납 유리를 놓고 납 유리에 편광을 통해 보았습니다. 그러자 전자석의 스위치를 켜고 전류를 흘리면 편광의 진동면이 회전하는 것을 확인 할 수 있었습니다. 전자석을 끄면 회전하였던 편광의 진동면이 원래대로 되돌아갔습니다. 그는 자기장이 편광의 진동면을 회전시키는 것을 발견했습니다. 그는 납 유리 외에도 투명한 재료를 사용하여 동일한 실험을 수행했습니다. 그러면, 재료에 따라서 정도는 다르지만, 자기의 강도를 크게 하면, 편광의 진동면의 회전의 정도가 커지는 것을 발견했습니다. 또 전자석의 극을 반대로 하면, 편광의 진동면이 회전하는 방향도 역방향이 되는 것을 발견했습니다. 1845년 이러한 실험으로 패러데이는 빛과 자기 사이에 관계가 있음을 발견했습니다. 이 현상을 패러데이 효과라고 합니다. 패러데이의 일련의 실험은 빛과 자기 사이에 관계가 있고, 자기와 전기 사이에 관계가 있음을 발견했습니다. 그는 1846년에 '광선 진동에 대한 고찰'이라는 논문에 정리해 빛이 전자파인 것을 예견하고 있습니다. 빛이 전자파임을 이론적으로 정리하는 일은 영국의 물리학자 제임스 클러크 맥스웰이 이어받게 되었습니다.