제본공에서 일류 과학자로, 마이클 패러데이 송성수  (Homepage) 2017-12-06(수) 07:52:58, 10824

Michael Faraday 1791년 9월 22일 – 1867년 8월 25일 영국. 물리학, 화학 <그림> 평범한 삶을 좋아했던 위대한 과학자, 마이클 패러데이 1857년에 패러데이는 영국의 과학자가 현세에서 성취할 수 있는 최고의 자리를 제안 받았다. 당시 왕립학회의 핵심 멤버였던 틴달(John Tyndall)이 회원들의 뜻을 모아 패러데이에게 회장을 맡아 달라고 요청하였던 것이다. 그러나 패러데이는 이 영광스러운 자리를 사양하면서 다음과 같이 말했다. “틴달 선생, 나는 끝까지 평범한 마이클 패러데이로 남겠습니다.” 이 말 한마디에서 우리는 패러데이의 성품을 알 수 있다. 그는 일생을 통하여 학문 연구에 대한 명예나 재정적인 보상을 뿌리쳤으며, 평범한 마이클 패러데이의 위치에서 자연의 신비를 자유롭게 탐구했던 것이다. 찢어지게 가난한 집안 실제로 패러데이는 지극히 평범한 가문에서 태어나 평범하게 자랐다. 그는 1791년에 영국 런던 근교의 서리에서 태어났다. 아버지는 대장장이였으며, 삼촌들은 식료품 장수, 구두 수선공, 농부, 서기였다. 어릴 때에도 그가 나중에 천재적 재능을 나타내리라는 조짐은 전혀 없었다. 그의 표현을 빌린다면, “보통 수준의 학생”으로서 그는 읽기와 쓰기, 그리고 산술의 기초를 겨우 배웠을 뿐이었다. 패러데이의 집안은 찢어지게 가난했다. 아버지는 가난에서 벗어나고자 패러데이가 11살 때 런던 시내로 이사했다. 그러나 아버지는 적당한 일거리를 찾지 못했고 막노동으로 겨우 생계를 이어갔다. 패러데이에게 지급될 수 있는 식량은 일주일에 빵 한 덩어리였다. 그는 매주 월요일 아침에 빵 한 덩어리를 받아 조심스럽게 14조각으로 나눈 후 아침저녁으로 한 조각씩 먹었다. 그는 매우 용의주도하게 식사를 관리했기 때문에 비록 배불리 먹지는 못했지만 결코 배를 곯지는 않았다. 패러데이는 13살 때 서점과 문방구를 경영하고 있었던 리보(George Riebau)의 조수로 취직하였다. 패러데이가 했던 일은 고객들에게 신문을 돌리고 그들이 다 보고 난 후에 다시 거두는 것이었다. 고객들은 패러데이의 서비스를 고마워했고 리보도 그렇게 생각하고 있었다. 덕분에 1년이 지난 후 패러데이는 제본 작업장 견습생으로 승진할 수 있었다. 패러데이는 ≪브리태니커 백과사전≫을 제본하면서 과학의 세계에 이끌리기 시작했다. 특히, 그는 전기에 관한 항목에 흥미를 느꼈고 실험 기구를 제작해서 책에 소개된 실험을 직접 해 보기도 했다. 패러데이는 화학도 좋아했다. 대부분의 책은 너무 어려웠지만, 1805년에 제인 마셋(Jane Marcet)이 발간한 ≪화학에 대한 대화≫는 패러데이에게 안성맞춤이었다. 그 책은 왕립연구소에서 데이비(Humphry Davy)가 했던 강연을 바탕으로 일반 대중을 위해 대화체로 화학을 알기 쉽게 설명하고 있었다. 데이비의 조수가 되기까지 1812년 2월, 패러데이는 어떤 손님에게 이끌려 데이비의 4회 연속 공개강의를 들으러 간 일이 있었다. 데이비의 강연은 과학에 대한 패러데이의 동경심을 더욱 부추겼다. 패러데이는 데이비에게 일자리를 부탁하는 편지를 쓰면서 이전에 그의 강연을 들으면서 손수 필기한 노트를 정성껏 제본하여 함께 보냈다. 그 덕분인지 패러데이는 데이비와 면담하는 기회를 가질 수 있었다. 그러나 데이비는 “나중에 필요하면 부르겠으니 일단은 제본 일을 하고 있으라.”고 하면서 패러데이를 돌려보냈다. 같은 해 10월, 데이비는 패러데이에게 연락을 취했다. 데이비는 실험을 하다가 폭발 사고로 눈을 다쳤고, 임시로 자신의 실험을 기록해 줄 사람으로 패러데이를 고용했다. 그러나 그 일은 오래가지 않았다. 그러던 중 1813년 2월에는 페러데이에게 커다란 행운이 찾아왔다. 왕립연구소에서 실험실 조수로 일하던 사람이 강연장에서 싸움을 하는 바람에 해고를 당했던 것이다. 왕립연구소는 데이비에게 적절한 인물을 찾아달라고 요청했고, 데이비는 다시 패러데이를 불러 들였다. 1813년 3월, 패러데이는 마침내 자신의 소박한 꿈을 이루었다. 왕립연구소의 화학 조수가 되었던 것이다. 그는 지하실험실에서 데이비의 실험을 도왔고, 1층 강연장에서는 데이비의 강연을 보조했으며, 그 위층에서는 잠을 잤다. 왕립연구소가 패러데이에게 직장이자 학교이자 집이 된 셈이었다. 패러데이는 데이비의 지도를 받으면서 화학에 대한 연구와 강의에 전념하였다. 1816년에 패러데이는 자연산 가성석회에 대한 논문을 작성하여 영국 과학계의 주목을 받기 시작하였다. 1820년에는 탄소의 새로운 염소화합물 두 가지를 발견했으며 강철의 합금을 제조하기도 했다. 그의 과학적 업적은 계속해서 이어졌다. 1823년에는 염소의 액화에 대해 연구했고, 1825년에는 부틸렌과 에틸렌의 이성질체(분자식은 동일하나 구조가 다르기 때문에 물리화학적 성질을 달리 하는 물질)를 발견하였다. 1825년에 석유 가스 속에서 벤젠을 발견한 사람도 패러데이였다.   왕립연구소의 스타 강사 패러데이는 연구뿐만 아니라 강의에도 소질을 발휘하였다. 그는 1816년 1월 17일 <물질의 일반적 성질>이란 제목으로 왕립연구소에서 첫 강연을 했다. 첫 강연은 성공적으로 끝났고, 이내 그의 강연은 청중들로 장사진을 이루었다. 패러데이가 강연을 열심히 준비하기도 했지만, 그의 성품도 강연에 안성맞춤이었다. 패러데이는 쨍쨍한 목소리, 천진난만한 웃음, 털털한 인상을 모두 갖추고 있었던 것이다.     패러데이가 연구와 강의에서 뛰어난 능력을 발휘하자 급기야 “패러데이가 데이비보다 뛰어나다”는 소문이 퍼졌다. 패러데이는 한사코 소문을 부인했지만, 데이비는 패러데이를 질투하기 시작했다. 1824년에는 패러데이를 존경하는 사람들이 그를 왕립학회의 회원으로 추천했는데, 데이비는 반대표를 던졌다. 그러나 반대표는 단 한 표였기 때문에 패러데이는 왕립학회의 회원이 되었고 오히려 데이비의 명예만 훼손되었다. 이러한 데이비도 말년에는 패러데이를 크게 칭송했다. “나는 과학적으로 많은 발견을 했다. 그러나 내 생애 최대의 발견은 패러데이를 발견한 것이다.” <그림> 패러데이가 1856년에 크리스마스 강연을 하는 모습 데이비와 패러데이를 비롯한 과학자들이 주도했던 왕립연구소의 대중 강연은 상당한 인기를 누렸다. 특히 1826년부터는 매년 크리스마스 시즌에 크리스마스 강연(Christmas Lecture)이 실시되었고 그것은 오늘날에도 이어지고 있다. 크리스마스 강연은 그 해의 과학적 쟁점을 주제로 하는 극장식 대중 강연으로서 1966년부터는 텔레비전을 통해 영국 전역에 방영되고 있다. 이와 함께 패러데이는 1826년부터 금요 저녁 담화(Friday Evening Discourse)를 개최하여 저명한 과학자들을 초빙하고 왕립연구소 회원들과 함께 대화를 갖는 시간도 마련했다. 패러데이는 1820년에 같은 교회를 다니던 사라 버나드(Sara Bernard)와 결혼했다. 패러데이는 결혼을 계기로 샌디먼파(Sandemanian)의 정회원이 되었다. 그 교파의 신자들은 청빈한 생활을 중시하고 돈을 남겨 저축하는 것을 무거운 죄로 생각하였다. 그것은 패러데이가 갖가지 유혹의 손길을 뿌리치고 왕립연구소에 평생을 바쳤던 동기로 작용했다. 런던 대학의 화학 교수직을 요청하는 사람도 있었고 과학 전문가로서 자문을 권하는 사람도 있었지만, 그는 왕립연구소에 끝까지 남았던 것이다. 왕립연구소는 기부금이나 회비로만 운영되었기 때문에 재정이 매우 궁핍하였다. 1833년 패러데이가 왕립연구소의 전임 교수가 되었을 때 받았던 대가는 연봉 100파운드와 조그만 주택에 불과했다. 전자기유도 현상의 발견 1820년에 덴마크의 과학자인 외르스테드(Hans Christian Ørsted)는 전류가 나침반의 자침을 움직이게 한다는 사실, 즉 전류의 자기 작용을 발견했다. 패러데이는 외르스테드와 반대로 접근하면 어떨까 하는 생각을 했다. 자기장을 이용해 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 것이었다. 이처럼 자기장을 변화시킬 때 전류가 흐르는 현상은 ‘전자기유도(electromagnetic induction)’로 불리는데, 그것을 활용한 대표적인 사례로는 발전기와 변압기를 들 수 있다. 발전기는 강한 자기장 안에서 도선을 감은 코일을 빠르게 회전시켜 전류를 생산하는 장치이다. 변압기는 전압을 높이거나 낮추는 장치이다. 1차 회로에서 전류가 변하면 자기장의 변화가 유발되고 그 자기장이 2차 회로에서 전압의 변화를 유도하는 것이다.     패러데이는 1825～1828년에 전자기유도를 확인하기 위해 몇 가지 실험을 시도했다. 이를 통해 그는 자신의 생각을 조금씩 발전시킬 수는 있었지만 측정 장치에 문제가 있어 원하는 결과를 얻는 데에는 실패했다. 전자기유도에 관한 실험은 계속되었다. 드디어 1831년에 패러데이는 오늘날의 변압기와 유사한 장치를 고안한 후 그것을 이용해서 더욱 정교한 실험을 함으로써 전자기유도 현상을 발견할 수 있었다. 패러데이는 자신의 실험 결과를 왕립학회에서 발표했는데, 전압에 의해 극성화된 입자선을 표현하기 위해 ‘유도역선(line of inductive force)’이라는 용어를 사용했다. <그림> 패러데이가 전자기유도를 발견할 때 사용했던 실험 장치 패러데이는 전자기의 여러 현상을 설명하기 위하여 독특한 상상력을 발휘하였다. 그는 전자기 현상을 수학적으로 기술하는 것에 회의적이었으며 역학적 모형으로 설명하는 것을 선호했다. 에테르로 가득 차 있는 모든 공간은 역선(力線, line of force) 또는 역관(力管, tube of force)으로 이루어져 있고, 역선이나 역관은 반대의 전하나 반대의 자극을 연결시켜 장(場, field)을 형성한다는 것이었다. 또한 역관의 단면적은 특정한 지점에서의 전기장과 자기장의 강도를 나타내는데, 역선의 수가 거리의 제곱에 반비례하므로 전기력과 자기력의 역제곱 법칙이 설명될 수 있었다. 패러데이는 역선을 단순한 설명의 도구가 아닌 물리적 실재로 믿었다.   전기화학의 기초를 닦다 패러데이는 전자기유도 현상을 발견한 뒤에도 계속해서 전기장과 자기장에 미치는 물체의 영향을 연구했다. 1837년에는 사용된 절연물질의 종류에 따라 축전기가 각기 다른 양의 전기를 받아들인다는 사실을 발견했다. 그는 진공일 경우와 특정한 절연물질을 사용할 경우에 축전기가 받아들인 전하의 비율을 그 절연물질의 ‘비유전용량(比誘電容量)’으로 정의했다. 1845년에 패러데이는 물체와 자기장 사이에도 비슷한 상호작용이 있다는 것을 발견했다. 물체 중에는 외부 자기장에 의해 자기장과 반대 방향으로 자기를 띠는 반자성체(反磁性體)와 자기장 안에 넣으면 자기장 방향으로 약하게 자기를 띠는 상자성체(常磁性體)가 있다는 것이다. 패러데이는 반자성 현상을 통해 빛과 전자기의 연관성을 연구하였다. 그는 강력한 전자석의 양극 사이에 유리조각을 매달았을 때 유리조각이 자기장에 대해 직각으로 향하는 것을 보았고, 자기장의 방향으로 편광광선을 유리조각에 비추었을 때 편광면이 회전하는 것을 발견했다. 이처럼 자기장에 의해 빛의 편광면이 회전하는 현상은 오늘날 ‘패러데이 효과’로 불리고 있다. 이러한 실험을 바탕으로 패러데이는 1846년에 <빛의 진동에 관한 생각>이란 논문을 썼다. 이 논문은 빛이 전자기파의 일종이라는 점을 처음으로 시사하고 있었다. 이후에 맥스웰(James C. Maxwell)은 패러데이의 업적을 계승하여 빛과 전자기장의 관계를 체계적으로 규명하였다. 페러데이는 1833년에 다양한 물질을 대상으로 전기분해 실험을 하면서 생성되는 물질의 양과 전류의 양 사이에 일정한 관계가 성립한다는 점을 발견했다. 전기분해를 통해 생성되는 물질의 양은 흘려보낸 전하량과 그 물질의 원자량을 전하수로 나눈 값에 비례한다는 것이다. 이것이 바로 전기화학의 기본 법칙인 ‘패러데이 법칙’이다. 이 때 전자 1몰이 가진 전하량은 패러데이의 이름을 딴 단위인 패럿(farad)으로 표시된다. 1F(패럿)은 약 96,485C(쿨롱)에 해당하는데, 계산상의 편의를 위해서 96,500C로 정의하는 경우도 있다. 이와 함께 패러데이는 당시의 유명한 과학자이자 철학자였던 휴얼(William Whewell)과 협력하여 전기화학 분야에서 많은 학술용어를 제정하였다. 패러데이는 용매에 녹아서 전류를 흐르게 하는 물질을 전해질(electrolyte), 물질에 전류를 통하여 화학 변화를 일으키는 것을 전기분해(electrolysis), 양끝의 연결점을 전극(electrode)이라고 불렀다. 전극에는 두 가지가 있는데, 양전하로 충전되면 양극(anode)이, 음전하로 충전되면 음극(cathode)이 된다. 전해질을 분해하여 얻어지는 결과물이 이온(ion)인데, 이온에는 음이온(anion)과 양이온(cation)이 있다. 이런 식으로 패러데이가 전기화학에 관한 용어를 정비하였고, 그가 만들어낸 용어 체계는 오늘날에도 널리 사용되고 있다.   패러데이의 마지막 청원 패러데이는 자신의 연구업적을 모아 책으로 발간하는 데에도 많은 노력을 기울였다. 그 중 가장 유명한 것은 총 3권으로 되어 있는 ≪전기에서의 실험적 연구≫인데, 1권은 1839년, 2권은 1844년, 3권은 1855년에 발간되었다. 이와 함께 1859년에는 주로 전기 이외의 분야를 다룬 ≪화학과 물리학에서의 실험적 연구≫가 발간되었다. 패러데이는 정신없이 연구와 집필에 몰두하느라 체력이 점점 약해져서 현기증과 두통을 자주 앓았다. 패러데이는 어린이들을 위하여 과학 강연을 하거나 실험실 구경을 시켜주는 데에도 열정을 보였다. 특히 그는 1860년의 크리스마스 강연에서 양초의 화학이란 주제로 6번의 강연을 하였고, 그것은 1861년에 ≪양초 한 자루의 화학사(The Chemical History of a Candle)≫라는 책으로 발간되었다. 이 책에서 패러데이는 한 자루의 양초를 통해 화학의 토대를 이루는 물질의 특성과 상호작용을 재미있고 쉽게 풀어나갔다. ≪양초 한 자루의 화학사≫는 당시 과학도를 꿈꾸는 어린이들의 필독서가 되었다. <그림> 왕립연구소에 있었던 패러데이의 실험실(1819년) 한번은 영국 정부가 패러데이의 업적을 치켜세우며 “웨스트민스터 사원에 묻힐 자격이 있다”며 당시 귀족들만 묻힐 수 있었던 묘지를 지정해 주었다. 그러나 패러데이는 작은 공동묘지에 묻히길 원한다며 이마저도 거절했다. 대신에 그는 “배우지 못해 꿈도 꾸지 못하는 아이들이 과학강연을 들을 수 있게 지원해 달라”는 청원을 했다. 패러데이는 1867년에 75세의 나이로 생을 마감했다. ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 네이버 지식백과 중 과학인물백과에 실린 글로서 더 자세한 내용은 <한 권으로 보는 인물과학사>를 참조하시기 바랍니다. ☞ 네이버 `과학인물백과` 바로 가기

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