1.일상을받치는두기둥,전기와자기
우리는지하철을이용해이동하고,컴퓨터를사용해공부를하고,냉장고를열어물을마신다.이렇게우리의일상은모두전기를기반으로유지된다.그만큼전기가우리삶에깊숙이자리했다는이야기이다.그런데전기를사용한다,전기가나갔다는말은쉽게하면서도전기의원리나구조를묻는질문에명확히대답할수있는사람은많지않다.벽에있는콘센트에플러그를꽂는것만으로작동하는전자제품들을보면서,선뜻설명하지못하는어떤원리에따라콘크리트로만든벽이전기를만드는건아닌가하는우스갯소리로적당히넘기기일쑤다.이렇게쉽게얻을수있고우리삶을풍요롭게하는전기의정체는대체무엇일까?전자제품이나전기요금고지서에적힌전압,전력소비량같은용어의정확한의미는무엇일까?전기를알면우리의일상은얼마나풍부해질까?
그런데전기를제대로이해하려면전기의이란성쌍둥이라고해도과언이아닐만큼전기와닮은자기도알아야한다.자기라고하면눈으로확인할수있는전기와달리보이지않아낯설고,자석을갖다댔을때만존재를확인할수있는미지의존재처럼느껴져서독자는선뜻관심이가지않을것이다.그러나자기가발전기등을통해우리일상을유지하고돕는다는점을알고난뒤부터는자기가전기못지않게중요하다는것을깨닫게될것이다.또하나의거대한자석인지구안에서끊임없이움직이는외핵이자기장을생성하고,이자기장은태양으로부터뿜어져나오는태양풍으로부터지구를보호해준다는점에서자기는인류를비롯한생물의생존에도꼭필요한존재라는점도알게된다.
자연에는수많은전기현상과자기현상이있다.고대인들은장신구에사용하는호박에천을문질러광을낸뒤호박이지푸라기나천조각을잡아당기는모습을통해전기현상을확인했고,나침반이방향을알려준다는것을경험으로터득하고자기현상을항해에사용했다.그런데전혀관계없을거라고생각했던전기와자기현상이사실은분리된게아니라하나라는점이밝혀진뒤,두현상을활용한도구가쏟아지고과학은한층더발전한다.자라나는청소년이이책을통해전기와자기의발전과정을되짚어보고지식을쌓아그원리를이해한다면,기술에종속된수동적인간이아니라기술을활용하고다룰줄아는주체적인간으로서살아갈수있을것이다.나아가과학이가져다주는순수한재미는4차산업혁명시대를살아갈미래세대에게새로운관심거리를찾도록만든다.
2.전기와자기,네정체를밝혀라!
건조한겨울철,외투를벗거나문고리를잡을때‘찌릿’하는소리를내며우리에게놀라움과불쾌감을주는정전기의정체는무엇일까?천조각에문지른빗을머리에대면머리카락은왜빗에달라붙을까?《전자기쫌아는10대》는이처럼우리가일상에서쉽게접하는전기현상을예로들며이야기를풀어나간다.그런데빛에너지를활용한전구나열에너지를활용한전열기처럼전기현상의결과는주변에서쉽게관찰할수있어서이해가어렵지않지만,그과정은사람의맨눈으로는확인할수없는원자의세계에서일어나기때문에특별한장치나도구가있지않은이상관찰이어렵다.때문에알고는싶지만너무막연하거나미지의존재로느껴져서독서를주저하는독자를위해,저자는먼저전기적현상의주연인전하(Charge)의개념과전하가모여흐르는전류,전류를흐르게하는전압,전류의흐름을방해하는저항등전기와관련된용어들을물에비유해친절하고알기쉽게이야기한다.이과정을거치면서독자는전기현상의개념을습득하고다져나간다.
그렇다면자기는무엇일까?자기현상이라고하면우리는필연적으로자석의N극과S극을떠올린다.그런데자석이같은극끼리는밀어내는척력을가지고다른극끼리잡아당기는인력을가진다는사실은누구나알고있다.전기에대한생소한용어에낯설어하던독자는자신이아는사실이나와자연스럽게반가워하며동시에자기력과같이척력과인력을가지는전기력을머릿속에떠올린다.그제야독자는이모든구성이독자의이해를돕기위한저자의배려라는것을깨닫게된다.뿐만아니라자신이전기력과자기력의유사성을깨닫도록저자가큰그림(?)을그렸다는점을알아차리고난뒤부터는전자기의마력에빠져책에서눈을떼지못할것이다.
저자는독자의관심도가올라갔음을놓치지않고전자기에대해가장중요한요소중하나인전기가자기를만든다는사실을역사적사건과곁들여설명한다.한스외르스테드가발견한전기현상중하나이자전하의흐름인전류가자기를만든다는사실을언급하고,반대로자기역시움직이는전하나흐르는전류에영향을미치는로렌츠힘을이야기하며전기현상과자기현상은별개의일이라고생각했던독자의고정관념을깬다.이어서전류를흘려보내자기장을형성하는전자석이폐차장이나자기부상열차같은실생활뿐만아니라모터,스피커처럼우리에게익숙한물건에도쓰인다는것을보여준다.이로써독자는전기현상과자기현상모두우리주변에흔하다는것을스펀지가물을빨아들이듯빠르고손쉽게알게된다.
3.전자기유도,우리는매일전기를생산한다.
“전기력과자기력은모두척력과인력을가진다.그리고전기현상은자기현상을만들어낸다.그렇다면반대로자기현상도전기현상을만들어낼수있지않을까?”
아리스토텔레스의삼단논법이생각나는이단순하고도논리적인추론이떠오른다면독자는이미예비과학자의자세를갖춘셈이다.1831년,패러데이는역사에길이남을실험을통해이가설을증명해내는데성공한다.먼저1차코일을전지에연결해전류를공급할준비를마친뒤전류생성여부를알수있는검류기에2차코일을연결한다.그리고스위치를켜서전류를흘려보낸1차코일을2차코일에가깝게댔더니,이럴수가!놀랍게도검류기의바늘이움직인다!
스위치를켜서1차코일에전류공급→1차코일에자기장생성→()→2차코일에연결된검류계바늘이움직임=전류생성
()에들어갈말은무엇일까?그렇다.바로‘자기장이2차코일에전류를생성함’이다.그런데신기한점은스위치를켰을때검류계바늘이잠깐움직인뒤멈췄는데,스위치를끄자검류계바늘이또잠깐움직인뒤멈춘다는점이다.1차코일에계속전류를공급할때는2차코일에전류가생성되지않으면서,1차코일에전류를공급하기시작할때와끊을때만2차코일에전류가생긴다는사실을통해얻을수있는결론은,2차코일은1차코일의자기장에반응한게아니라자기장의변화에반응했다는것이다.자기장이변화할때이를느끼는도선고리에자기장의세기가변할때만생성되는전류를유도전류라고하고,이현상을전자기유도현상이라고한다.이것이발전기와변압기의기본원리이다.발전기와변압기는일반인이쉽게다룰수없지만,우리는우리도모르는사이에전자기유도현상을이용한휴대전화무선충전기,인덕션히터,교통카드,마이크등을사용해전기(유도전류)를생산해낸다.이로써독자는늘전기의소비자라고만생각했던자신이생산자이기도한다는점을깨닫고,전자기현상을어떻게다루고만져야할지생각하는계기를가진다.
4.불가능했던일을가능하게해줄전자기파
‘5,4,3,2,1,0.발사!’
2020년5월30일,미국플로리다주케이프커내버럴기지에서세계최초로민간유인우주선인스페이스X사(社)의크루드래건(CrewDragon)이발사됐다.크루드래건은열아홉시간을항해한끝에지구상공422km에서궤도를돌던국제우주정거장(ISS)에도킹했고승무원들은국제우주정거장진입에성공했다.이후휴스턴에있는관제센터와무선통신이연결되자우주인들은자신들이무사함과새로운우주선의성능에만족감을표했다.이로써활동범위가현재의달에서화성으로확대되고,적은비용으로우주여행을떠난다는인류의꿈이현실로이루어질가능성이더욱커졌다.
여기서질문이하나있다.대체400km이상떨어진곳과어떤방식으로통신이이루어지는것일까?유선전화가처음발명됐을때전화선에나의목소리가실려상대에게전달되자사람들은놀라움을감추지못했다.그런데이제는선도없는우주까지나의목소리가우주인에게전달된다.대체이런일이어떻게가능한걸까?
전기가자기를생성하고그렇게생성된자기는반대로전기를생성한다는점을밝힌과학자제임스맥스웰은연구를이어간끝에둘을통합한전자기학을완성한다.이어서로를유도하며퍼져나가는전기장과자기장은파동의일종이라는것을확인한뒤,이파동을전자기파동,곧전자기파라고이름붙인다.파동의에너지는매질이진동하며전달되는데,수면파의파동은물이고음파의매질은공기인반면전자기파는매질없이도에너지가전달된다.또한전자기파의속도가빛의속도와비슷하다는사실을파악한뒤빛도전자기파의일종이라는사실이밝혀진다.덕분에태양으로부터나온빛과전자기파에너지가드넓은우주공간을넘어우리에게전달되고우주에서도통신이가능하다.전자기파가아니었다면우리는존재할수도없고,지구밖으로나갈생각조차하지못했을것이다.
저자는이에그치지않고최근화두인4차산업혁명에대해서도이야기한다.4차산업혁명이전의3차산업혁명은정보혁명이라고도불리며,이시기에는컴퓨터와인터넷등을통해대중의정보접근성이급격하게진일보했다.이런유·무선통신의발달은공장이나사무실같은산업현장에서자동화를이끌었고,연결성이확대되면서국경을넘은전세계통신이현실화됐다.이어서나타난4차산업혁명은연결성을넘어선초연결성을가져다준다.적외선펄스를이용해정보를전달하는유리섬유(광섬유)로만든광통신,휴대폰이나태블릿PC등을공유기에연결해이동하면서인터넷사용을가능하게만드는와이파이(무선랜)기술,초고속,초저지연,초연결을키워드로하는휴대전화5G이동통신서비스들은모두전자기파를활용하거나기존기술을발전시킨기술이다.이를통해새로운기회가창출되고나아가정보의공유는공정함도가져온다.그야말로과학계에혁명이이루어지는가운데미리대비하고미래를예상하기위해이책을읽어보길권한다.
◇더높은단계로도약하는열띤과학토론의장'과학쫌아는십대'
‘2015개정교육과정’은자주적이고창의적이며더불어사는인간상을추구한다.그가치관아래교과별핵심개념과원리를중심에두고인문·사회·과학기술에대한기초소양교육을강화하면서교과간통합과융합교육을하는데초점을맞추고있다.
미래형인재를만들려는이런교육의흐름에맞춰,풀빛은지식의양보다는핵심이되는개념을선별하고그것이어떤원리로이루어져있고어떻게적용할수있는지를또렷이알게하는청소년용과학시리즈를기획하였다.핵심과원리,그리고적용이라는삼박자에질문과토론을유도하는인문학적고찰은중학생독자와현장교사,학부모들이원하는바이자과학공부에대해'과학쫌아는십대'시리즈가목표하는분명한방향이다.
지금까지첨단과학기술인인공지능의실체를충분히나타날수있는현실적인문제들과접목해조목조목해부한1번《인공지능쫌아는10대》를시작으로,다채로운성분으로가득차고우리주변에서쉽게볼수있는요소를통해세상의본질을탐구하는2번《물질쫌아는10대》,일상에서쉽게행하는여덟가지소비를통해환경에대한인식을환기하는3번《환경과생태쫌아는10대》가출간되면서'과학쫌아는십대'시리즈는적극적인노력으로과학적지식을우리의삶과연결시켜왔다.이후우주탄생론을담은4번《빅뱅쫌아는10대》와문명을일구고다지는데기여한빛의세계를담은5번《빛쫌아는10대》,지구과학,물리,화학분야를대표하는물질의가장작은단위인원소를중심삼아정리한6번《원소쫌아는10대》는우주를이해하는데필요한기본지식을다져놓았다.다음으로우리주변에서손쉽게관찰할수있는중력의모든것을소개한7번《중력쫌아는10대》가출간되었고,늘주변에있었지만그가치를알지못했던전자기파의실체와원인,그리고활용방안에대해설명한8번《전자기쫌아는10대》가나왔다.앞으로출간될《기후변화쫌아는10대》,《바이러스쫌아는10대》,《유전자쫌아는10대》는각각지구과학,생명과학이라는자연과학의가장기초적이면서핵심적인영역을심화해서다룰예정이다.
미래지향적인현실소재에서부터기초과학의토대가되는핵심개념까지'과학쫌아는십대'는전방위로과학을아우른다.우리는이런지식들을단순히정보를전달하는데에그치지않는다.그러한주입식교육이더이상통하지않는다는것은겪어본우리가더잘알고있고다음세대인청소
