헤르츠 전자기파 실험 - heleucheu jeonjagipa silheom

하인리히 헤르츠는 19세기의 가장 중요한 물리학자들 중 하나로 꼽힌다. 그의 탁월한 업적은 전자기파의 존재를 증명한 것이다. 스코틀랜드인 제임스 클러크 맥스웰은 1860년대에 전기 현상과 자기 현상을 통합하는 이론을 세우는 데 성공했다. “전자기력”이라는 단어는 그 통합을 표현한다. 그 후 1870년대에 맥스웰은 빛을 전자기파로 이해할 수 있음을 증명했다. 이것은 놀랍고도 획기적인 성취로 여겨졌지만, 실험적 입증이 필요했다. 이에 부응하여 하인리히 헤르츠는 진동하는 전기쌍극자를 이용하여 전자기파를 만들어낼 수 있음을 보여주었다. 오늘날 그런 전기쌍극자는 “헤르츠 진동자hertzian oscillator”로 불린다.

함부르크에서 한자 동맹에 소속된 명망 높은 상인의 아들로 태어난 헤르츠는 카를스루에에서 일할 때 전자기파를 실험적으로 입증하는 업적을 이뤘다. 역시 카를스루에에서, 1886년 11월 11일에는 송신기에서 수신기로 전자기파를 전송하는 작업에도 성공했다. 오늘날 당연시되는 이 전송은 라디오의 원리다. 헤르츠는 자신의 연구 결과들을 보고서의 형태로 정리하여 1888년 베를린 과학아카데미에서 「전기력의 살들rays에 관하여」라는 제목으로 발표했다.

독일 연방 우체국은 이 보고서 발표 125주년 기념일에 58센트짜리 기념우표를 발행했다. 그보다 먼저 1957년에 헤르츠 탄생 100주년을 기념한 우표가 발행된 바 있는데, 그 우표의 가격은 10페니히였다(당시 어린이였던 필자는 용케 그 우표를 샀다. 그것이 필자의 유명 과학자 우표 수집의 시작이었다).

1957년 헤르츠 탄생 100주년 기념 우표

맥스웰이 예측한 전자기파가 실제로 존재하며 생산될 수 있음을 헤르츠가 입증한 것에 대하여 두 가지 논평할 것이 있다. 첫째, 그 입증으로 헤르츠는 맥스웰 방정식들이 전적으로 옳음을 명확히 보여주었으며, 이 일을 계기로 그 당시에 무명이었던 물리학자 알베르트 아인슈타인은 그 방정식들을 매우 진지하게 연구하게 되었다. 맥스웰은 빛의 본성뿐 아니라 속도도 수학적으로 계산해냈는데, 그 속도는 광원이나 관찰자의 운동 상태에 의존하지 않았다. 아인슈타인이 헤르츠 덕분에 깨달았듯이 이는 물리학에 무언가 근본적인 문제가 있음을 의미했고, 울름 출신의 아인슈타인은 그 문제를 탐구한 끝에 상대성이론에 이르렀다.

“이런 마법사들 같으니라고!” 좌 아인슈타인, 우 맥스웰, 가운데 헤르츠

둘째, 헤르츠가 연구한 살들이 비가시적이라는 점이 특별히 중요했다. 당시에 발견된 다른 비가시적인 살들(뢴트겐선, 방사선, 우주복사선)과 더불어 헤르츠의 살들은 빛의 대부분이 비가시적이라는 추론에 힘을 실어주었다. 헤르츠의 측정들이 명확히 보여주었듯이, 세계의 대부분은 비가시적인 것이 틀림없었다. 미술가들이 보기에 이 사실은 있는 그대로의 세계를 그리고자 하는 자는 세계를 발명해야 함을 의미했다. 그리하여 예컨대 피카소를 그 대표자로 꼽을 만한 추상회화가 등장했다. 피카소는 자신이 본 것을 그리는 대신에 생각하거나 상상한 것을 그렸다.

피카소의 <게르니카> (출처 : 네이버캐스트 파블로 피카소)

헤르츠는 대학교 저학년생 시절에 물리학 공부를 준비할 마음을 먹고 당시에 최고라는 평판을 받던 어느 유명 물리학 교수에게 조언을 구했다. 그 교수는 위대한 작품들을 읽으라고 조언했다. 위대한 작품이란 피에르 시몽 드 라플라스와 조세프 라그랑주의 고전적인 저서들을 말한다는 설명도 했다.이 조언대로 헤르츠는 라그랑주의 역학을 심층적으로 공부했다. 그는 “사태 자체를 숙고하기 위해” 많은 시간을 들였다. 집으로 보낸 편지에서 그는 “힘, 시간, 공간, 운동 같은 단어들이 말해주는 역학의 원리들만 가지고도 충분히 힘겨운 공부가 가능하다”라고 썼다.

헤르츠의 (겨우 36세에 너무 이른 죽음을 맞기 직전에 저술한) 마지막 작품은 다름 아니라 역학의 원리들을 다루며, 역학의 기본 개념들을 꼼꼼하게 분석한다. 연구 중에 헤르츠는 17세기 문헌을 뒤적였고 무엇보다도 “라이프니츠의 저술”을 읽기를 꺼리지 않았다. 특히 라이프니츠의 “미분법에 관한 최초 논문들”을 인상 깊게 읽은 그는 그 문헌들에 대해서 이렇게 논평했다.

불과 150년 전만 해도 인류는 전파가 존재한다는 것을 알지 못했고 전파를 통신 수단으로 이용할 수 있을 줄은 꿈에도 몰랐다. 1888년 독일의 물리학자 하인리히 헤르츠가 전파의 존재를 발견했음을 세상에 알렸고 이로써 전파시대는 개막됐다. 이 실험은 물리학계를 뒤집은 큰 사건이었다.전기와 자기가 인류에게 알려진 것은 엄청나게 오래된 일이었지만 그 현상에 대...(계속)

글 : 구자현 영산대 자유전공학부 [email protected]

과학동아 2005년 07호

헤르츠의 전자기파의 발생과 검출 실험 장치

   1987년 헤르츠는 프랑크의 이론을 근거로 전자기파를 발생시키고 이를 검출할 수 있는 실험장치를 고안하게 된다. 아래 그림에서 왼쪽은 놋쇠로 만든 둥근 전극을 아주 가까이 두고  양극과 음극의 전극을 짧은 순간 바꾸면서 고전압을 걸어주어서 공기중에서 방전이 일어나도록 한 것이다. 이때 전자기파가 발생한다. 

  오른쪽의 고리모양의 원형도선은 전자기파의 검출장치로 고리 윗쪽에 약간 떨어진 작은 두 개의 구사이에서 작은 불꽃의 방전이 일어나게 된다. 이는 발생장치에서 만들어진 전자기파가 공간을 이동하여 작은 고리모양의 검출장치에서 검출되었음을 뜻한다.

그림 출전 : http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/electromagnetic/emwave/emwave/hertzexperi.gif

실험의 쉬운 설명

  큰 구에 저장된 많은 전하에 의해 형성된 전기장이 변화하면 주위에 자기장이 형성되고 이 자기장의 변화로 인하여 다시 공간에 전기장에 만들어지는 과정이 반목되면서 공간으로 전기장과 자기장이 파동의 형태로 이동한다. 작은 고리에 도달된 파동의 전기장에 의해 고리 양쪽 끝 구에 각기 다른전하가 대전되고 다시 반대 전하로 바뀌면서 방전 현상을 볼 수 있다. 이렇게 잘 검출되기 위해서는 이동하는 전자기파의 진동수와 작은 고리의 고유 진동수는 같아야 된다. 

  고리는 코일 하나와 축전기 하나가 연결된  LC회로와 같다. 이 LC회로의 고유 진동수는

f = 1 / { 2pi root(LC) }

  이다.

맥스웰의 이론 :

전자기파 [ 출전 : http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/electromagnetic/emwave/emwave/emwave.html ]

맥스웰 방정식은 전기장의 변화가 자기장을 생겨나게 하고, 이 자기장의 변화는 다시 전기장을 만들 수 있다는 것을 보여주고 있다. 따라서 그들의 원천인 전하나 전류가 없어지더라도 하나의 변화가 다른 하나를 유발시켜서 스스로 생명력을 가지고 공간상을 전파하는 파동이 될 수 있는 가능성이 있다. 이에따라 맥스웰는 자기가 새로이 구성한 네개의 방정식을 연립시켜 전기장이나 자기장이 만족하는 다음의 파동방정식을 유도할 수 있었다.

(1)

이 방정식의 형태는 이미 그 이전에 음파나 물결파, 줄의 파동 등에서 파동방정식이라고 잘 알려저 있었다. 여기서 이 파동이 전파하는 속력은

빛의 파동성이 영이나 프레넬 등에 의해 거의 규명되는 시점에서 이는 파동성을 확정짓는 겨기가 되었다. 이제부터의 관심은 전자기적인 원리로 이 전자기파를 발생시키는 것이었다. 맥스웰이 이를 예견하고 48세를 일기로 죽은지 8년만에 헤르츠(H. Hertz)에 의해 인공적인 전자기파가 만들어져서 무선통신의 시대를 열게 되었다. :