패러데이의 장 개념

자석 주위에 놓인 철가루는 자석을 향해 끌려간다. 언뜻 보기에 이러한 자석과 철가루 사이의 상호작용은 둘 사이의 원거리 직접 작용의 결과처럼 보인다. 즉 서로 멀리 떨어진 자석과 철가루는 중간의 매개 없이 서로를 잡아당긴다. 그러나 오늘날 과학자들은 이 상호작용이 ‘장’을 매개로 이루어진다고 말한다. 즉 자석이 놓이면 그 주위에는 자기력선으로 채워진 자기장이 형성되고, 자기장에 놓인 철가루는 그 자리의 자기장과 상호작용하여 운동한다. 서로 떨어져 있는 물체들 사이의 상호작용이 ‘장’을 매개로 이루어진다는 생각은 패러데이에 의해 시작됐다.

그림 1. 정전기 유도에 대한 패러데이의 설명

전하를 띤 물체는 주위 물체의 가까운 쪽에 자신의 반대 전하를 먼 쪽에 자신과 같은 전하를 유도하는데, 이를 ‘정전기 유도’라고 부른다. 이 현상은 같은 전하를 밀어내고 반대 전하는 끌어당긴다는 원거리 직접 작용의 원리로 쉽게 설명될 수 있었다. 그럼에도 패러데이는 그림 1의 정전기 유도가 ㉠과 같은 A와 B 사이의 분극된 입자들의 연쇄적 배열에 의해 매개된다는 견해를 제시했다. 이때 분극된 입자들 사이에서는 (+)와 (–)의 극성이 만나 중성화되지만, 그 연쇄의 양쪽 말단에는 중성화되지 못한 잉여 극성(A 쪽에는 +, B 쪽에는 -)이 남게 되는데, 그것이 전하라는 것이다. 분극 된 입자들의 연쇄적인 배열은 ㉡과 같은 화살표로 표현될 수 있는데, 이 화살표가 바로 전기력선이다. 즉 전기력선은 정전기 유도를 매개하는 입자들의 배열을 간소화시킨 그림으로, (+)전하와 (-)전하는 그것의 시작점과 끝점을 뜻할 뿐이다. 이에 따르면, 전하는 항상 쌍으로 나타나야 하며, 독립적으로 존재할 수 없다. 예컨대 그림 1에서 B의 오른편에 유도된 (+)전하는 전기력선의 시작점이어야 하므로, ㉣처럼 전기력선이 끝나는 어딘가에 (-)전하가 반드시 나타나야 한다. 또한 전기력이란 전하들 사이의 인력과 척력이 아니라, ㉢처럼 전기력선 내부의 인접한 입자들 사이의 인력과 평행한 이웃 전기력선 사이의 척력으로 재해석되었고, 이를 통해 B는 A쪽으로 다가가게 된다.

패러데이에 따르면, 정전기 유도는 두 물체 사이의 전기적 긴장을 유지하는 부도체의 능력에 의해 유지된다. 패러데이에게 부도체란 전기적 긴장을 유지할 수 있는 능력을 가진 물질인 반면, 도체는 전기적 긴장을 유지하지 못하는 물질이다. 그래서 그림 1의 A와 B 사이에 도체를 끼워 넣으면, 전기적 긴장이 풀리면서 전기력선도 전하도 사라지게 된다. 패러데이는 부도체 사이에서도 전기적 긴장을 유지하는 능력이 다를 것이라고 추측했고, 그 능력을 ‘유전율’이라고 불렀다. 패러데이는 물질마다 유전율이 다르다는 실험 결과를 얻었고, 이를 통해 정전기 유도가 매질에 의해 매개되는 작용임을 주장했다. 그러나 다른 학자들은 그의 실험 결과를 원거리 직접 작용으로도 설명할 수 있다며 그의 견해를 수용하지 않았다.

사실 패러데이의 설명에도 결함은 있었다. 그림 1의 경우, 패러데이의 설명은 A와 B 사이의 원거리 작용을 부정하면서도 인접한 입자들 사이의 원거리 작용을 허용하고 있었다. 짧은 거리의 원거리 작용을 허용한다면, 그보다 먼 거리의 원거리 작용을 허용하지 못할 이유는 어디에 있는가? 또한 A와 B 사이를 진공으로 채우더라도 정전기 유도가 일어난다는 점 역시 패러데이에게 부담이었다. 결국 패러데이는 전기와 자기 작용이 인접한 입자들을 통해 매개된다는 가설을 버리고, 공간에 실재하는 역선에 의해 매개된다는 가설을 채택하게 되었다.

그림 2. 자기 전도 이론

역선의 실재성을 채택한 패러데이는 ‘자기 전도 이론’을 개발했다. 이에 따르면, 자기력선은 진공을 포함해 모든 물질과 공간을 통과할 수 있다. 다만 물질에 따라 자기력선의 투과율이 다른데, 철과 같은 자성체는 자기력선의 투과율이 진공보다 높고, 반자성체는 진공보다 낮다. 그래서 그림 2처럼 세로 방향의 일정한 자기력선이 채워진 자기장에 자성체(P)와 반자성체(D)를 놓으면, 자기력선이 P로 밀집하는 반면 D를 회피한다. 이때 P의 우측은 D를 회피한 자기력선까지 모이기 때문에 P의 좌측보다 자기력선의 밀도가 높으며, D의 좌측은 P가 자기력선을 끌어갔기 때문에 D의 우측보다 자기력선의 밀도가 낮다. 패러데이에 따르면, 자기력선이 자신의 통과를 극대화하는 방향으로 재배치하는 것처럼, 물체들 역시 자기력선의 통과를 극대화하는 방향으로 행동한다. 즉 주변보다 자기력선의 투과율이 높은 물체는 자기력선이 더 밀집한 지역으로 이동하고, 주변보다 자기력선의 투과율이 낮은 쪽으로 이동함으로써, 자기력선의 통과를 극대화한다. 따라서 그림 2에서 P는 우측으로, D는 좌측으로 이동하여 모이게 된다. 그러나 이러한 P와 D의 운동은 둘 사이의 인력에 따른 결과가 아니라, 각자의 자리에 배치된 자기력선과 상호작용한 결과이다. 이로써 패러데이는 원거리 작용의 원리를 전혀 사용하지 않고도 물질의 운동을 완벽하게 설명할 수 있게 되었다. 이를 위해 역선은 공간에 실재해야 했다.

퀴즈

A.  윗글의 내용과 일치하지 않는 것은?

① 패러데이는 전하를 물질적인 실체로 간주하지 않았다.

② 패러데이에게 도체는 전기적 긴장을 유지할 수 없는 물질이다.

③ 오늘날의 과학자들은 자석이 철가루를 직접 끌어당긴다고 생각하지 않는다.

④ 패러데이의 자기 전도 이론은 원거리 직접 작용을 가정하지 않고도 물질의 운동을 설명할 수 있다.

⑤ 패러데이는 물질마다 유전율이 다르다는 실험을 통해 정전기 유도가 원거리 직접 작용이 아님을 설득하는 데 성공했다.

B.  그림 1에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?

① 패러데이의 설명에서 ㉠을 구성하는 입자들은 부도체여야 한다.

② 패러데이는 ㉠의 인접한 입자들 사이에는 빈틈이 없다고 가정했다.

③ 패러데이의 설명은 원거리 직접 작용을 완전히 배제하는 데 성공했다.

④ 원거리 직접 작용을 가정하면 B가 A를 향해 다가가는 것이 설명되지 않는다.

⑤ 원거리 직접 작용을 가정하면 B의 우측에 (+)전하가 유도되는 것이 설명되지 않는다.

41. 전기와 자기 작용이 인접한 입자들을 통해 매개된다는 가설에 따라 <보기>를 이해한 것으로 가장 적절한 것은?

<보기> 밀폐된 공간 속에 (+)전하로 대전된 두 물체 X와 Y가 있다.

① 물체 X와 Y는 서로를 향해 다가갈 것이다.

② 전기력선 ⓐ와 ⓑ는 서로를 끌어당길 것이다.

③ 전기력선 ⓒ는 공간의 물질들을 통과할 것이다.

④ ⓓ 내부의 인접한 입자들은 서로를 잡아당길 것이다.

⑤ Y의 (+)전하는 X에 의한 정전기 유도로 설명될 수 있다.

42.  패러데이의 ‘자기 전도 이론’을 바탕으로 <보기>에 대해 추론한 것으로 가장 적절한 것은?

<보기> 세로 방향의 일정한 자기력선이 배치된 자기장 속에 동일한 모양과 크기의 반자성체(D1, D2)와 자성체(P1, P2)를 배치했다.

① P1과 P2는 서로 가까워지겠군.

② D1과 D2는 서로 직접 잡아당기겠군.

③P1과 P2는 모두 우측으로 이동하겠군.

④ D1과 D2는 모두 우측으로 이동하겠군.

⑤ D1은 좌측으로 D2는 우측으로 이동하겠군.

관련 항목

• 패러데이 & 맥스웰
• 공간을 힘의 선으로 채운 패러데이