전기에너지의 실체는 전류? 전자기장?

전자공학 전공자이며 (저전압, 저전력이지만) 회로설계를 20년 가까이했다. 이 정도면 전기에 꽤나 익숙하다 공식적으로 말할 수 있는 수준이리라. 근데 최근 유튭에서 아래 영상을 보게 되고, 또한 놀라게 된다.

 

 
학생 때, 회로이론 과목에서 회로해석법을 배우고, 전자기학 과목에서 전기장, 자기장의 특성을 배운다. 그런데 그 지식이 머릿속 별도의 영역에 있었던 것이다.
전원에 연결된 전구가 빛을 내게 하는 그 에너지가 전자기장으로 전달된다니...!!!!!! 전자의 흐름(전류)이 에너지원이 아니었다니. 졸업한 지 20년이 넘은 시점에 알게 됐다는게 정말 놀랍다.
위 영상에 보면 19세기까지도 전자(전류)가 에너지를 운반한다고 생각하는 사람과 전류가 형성하는 전자기장이 에너지를 전달한다고 생각하는 사람으로 나뉘었었다 한다. 그러다 1858년 북미와 영국을 잇는 해저케이블 설치에 실패하면서 전자기장이 에너지 전달의 주체라는 사실이 명확히 밝혀진 것이다.

대서양 횡단 전신 케이블과 전기 신호 전달 방식 논쟁
1858년 최초의 대서양 횡단 전신 케이블이 설치되었지만 불과 한 달 만에 실패하면서, 전기 신호가 어떻게 전달되는가에 대한 논쟁이 본격적으로 시작되었습니다.
이 과정에서 전류(전자 이동)로 신호가 전달된다는 학설과 전자기장에 의해 신호가 전달된다는 학설이 대립했으며, 결국 후자가 옳다는 것이 입증되었습니다.

1. 전신 케이블 실패 전의 신호 전달 이론

당시 전기 신호의 전달 방식에 대해서는 두 가지 주요 학설이 있었습니다.

(1) “전선 속의 전자가 신호를 전달한다”는 전류 중심 이론

• 19세기 초반에는 전류란 단순히 전자가 전선을 따라 이동하는 것이라고 생각했습니다.
• 즉, 전선 내부에서 전자가 물 흐르듯이 이동하면서 신호가 전달된다는 개념이었으며, 대부분의 전신 기술자들은 이를 사실로 받아들였습니다.
• 따라서 전선을 길게 만들더라도 전자는 빠르게 이동할 것이며, 신호가 문제없이 도달할 것이라고 생각했습니다.

(2) “전자기장이 신호를 전달한다”는 전기장 중심 이론

• 전선 속의 전자가 아니라 전선 주변의 전기장과 자기장이 신호를 전달한다는 이론이 있었습니다.
• 영국의 과학자 제임스 맥스웰(James Clerk Maxwell)과 올리버 헤비사이드(Oliver Heaviside), 윌리엄 톰슨(켈빈 경, Lord Kelvin) 등이 주장했습니다.
• 이 이론에 따르면, 신호는 전선 내부를 따라 이동하는 것이 아니라, 전선 외부의 전자기장에 의해 전달됩니다.
• 전선은 전자기장의 경로를 안내하는 역할을 할 뿐, 전자가 직접 신호를 빠르게 운반하는 것은 아니다고 설명했습니다.
하지만 이때까지는 어느 이론이 맞는지 결정적인 증거가 없었으며, 대부분의 기술자들은 전선 속 전자가 신호를 전달한다는 기존 이론을 믿고 있었습니다.

2. 최초의 대서양 횡단 케이블 실패: 전류 중심 이론의 붕괴

1858년 설치된 대서양 횡단 전신 케이블은 불과 한 달 만에 작동을 멈췄으며, 신호 품질도 매우 나빴습니다. 이 과정에서 기존의 “전선 속 전자가 신호를 전달한다”는 이론이 문제가 있다는 사실이 드러났습니다.

(1) 신호 지연과 왜곡 현상 발생

• 케이블이 길어질수록 신호가 지연되고, 흐릿해지며, 심지어 거의 도달하지 않는 현상이 관찰되었습니다.
• 당시 전신 기술자들은 전자가 단순히 전선을 따라 이동한다고 생각했기 때문에, 신호 속도가 문제가 될 것이라고 예상하지 않았습니다.
• 그러나 실제로는 전선이 길어질수록 신호가 급격히 약해지는 문제가 발생했습니다.

(2) 전압 증가로 인한 절연체 파괴

• 신호가 약해지자 기술자들은 이를 해결하기 위해 전압을 높이면 신호가 더 강하게 전달될 것이라고 생각했습니다.
• 하지만 높은 전압을 가하자 절연체가 손상되면서 케이블이 완전히 망가졌습니다.
• 이는 전선 속 전류가 아니라, 전선 주변의 전기장이 신호를 전달한다는 이론을 뒷받침하는 증거가 되었습니다.

(3) 맥스웰과 헤비사이드의 이론이 맞다는 증거

• 영국의 윌리엄 톰슨(켈빈 경)과 올리버 헤비사이드는 이 실패를 분석하면서, 신호는 전선 내부가 아니라 전선 외부의 전자기장을 따라 전달된다는 사실을 증명했습니다.
• 헤비사이드는 이를 설명하기 위해 전파 방정식(Telegrapher’s Equation)을 개발하였고, 이는 이후 전자기파 이론과 전송선 이론의 기초가 되었습니다.
• 결국, 맥스웰의 전자기장 이론이 옳았음이 입증되었으며, 전신 기술자들도 이를 받아들이기 시작했습니다.

3. 대서양 횡단 케이블의 재설치와 기술적 개선

1858년의 실패 이후, 새로운 이론을 적용하여 더 나은 대서양 횡단 케이블을 만들기 위한 연구가 진행되었습니다.
• 1865년: 새로운 케이블이 설치되었지만, 또다시 실패.
• 1866년: 마침내 더 튼튼한 절연체와 개선된 신호 전송 기술을 적용하여 대서양 횡단 전신 케이블이 성공적으로 작동하게 되었습니다.
이 과정에서 헤비사이드가 개발한 전송선 이론과 맥스웰의 전자기장 이론이 적용되었으며, 이후 모든 장거리 통신 시스템의 설계 원칙이 되었습니다.

4. 결론: 대서양 횡단 케이블 실패가 가져온 과학적 혁명

✔ 1858년 대서양 횡단 케이블의 실패로 인해, “전류(전자 이동)로 신호가 전달된다”는 기존 이론이 틀렸음이 입증되었습니다.
✔ 신호는 전선 내부가 아니라 전선 주변의 전자기장에 의해 전달된다는 맥스웰과 헤비사이드의 전자기장 이론이 옳았음이 증명되었습니다.
✔ 이후 모든 전력선 및 통신 시스템 설계에서 “전송선 이론”과 “전자기장 개념”이 표준이 되었습니다.
📌 한마디로 정리하자면?
“전기 신호는 전선을 따라 흐르는 전자가 직접 전달하는 것이 아니라, 전선 주변의 전자기장을 통해 이동한다.”
👉 이 중요한 사실이 대서양 횡단 케이블의 실패로 증명되었고, 이를 통해 현대 전자기학과 통신 기술이 발전할 수 있었다.
이제는 우리가 흔히 사용하는 전력선, 안테나, 광케이블 등도 모두 “전자기장에 의해 신호가 전달된다”는 개념을 기반으로 설계됩니다.
즉, 1858년의 실패가 오늘날의 전기 및 통신 기술 발전의 중요한 전환점이 되었다고 할 수 있습니다. 🚀