전기 기초 - 옴의 법칙

옴의 법칙이라는 말을 모르는 사람은 아마 없을 것입니다. 특히 전기 관련 자격 시험에 도전하시거나 전공하신 분들이라면 누구라도 알고 있으실 것입니다. 옴의 법칙을 발견한 것은 게오르크 옴 (Georg Simon Ohm)이라는 18세기 말부터 19세기 중반에 활약한 독일 물리학자입니다. 그의 공적 중에서 가장 큰 공적은 '옴의 법칙'의 발견입니다. 현재에도 그 이론은 전기 이론의 절대적인 이론으로 평소 우리가 사용하는 다리미 등의 가전 제품과 전자 제품의 이론적 바탕이 되고 있습니다.

 

이번에는 그런 옴의 법칙을 발견한 게오르크 옴 의 대단함에 대한 기사입니다. 

 

옴의 법칙의 정의

옴의 법칙은 간단히 말하면 '전압의 크기는 전류가 커질수록 커지고(비례), 저항이 커질수록 커진다(비례)' 라는 것입니다. 옴의 법칙의 공식은 다음과 같습니다.

V = I X R, I = V / R, R = V / I

옴의 법칙이 왜 위대하냐면 전압, 저항, 전류 중 어느 2개를 알면 나머지 하나를 산출할 수 있다는 점입니다. 전압을 구하는 경우는 V=I x R, 저항을 구하는 경우는 R=V/I, 전류를 구하는 경우는 I=V/R로 나타낼 수 있습니다. 물론 직류뿐만 아니라 교류에도 적용할 수 있는 오늘날의 전기를 설명하는 이론적인 기본 바탕이 되고 있습니다.

 

이처럼 완벽한 법칙이 옴의 법칙입니다. 그렇다면 옴의 법칙을 발견했다고 하는 게오르크 옴은 어떤 인물이고 어떤 과정에서 옴의 법칙을 발견했는지 소개합니다.

 

게오르크 옴의 평생

게오르크 옴 (1789.3.19~1854.7.6)

탄생부터 대학까지

탄생

독일 에를랑겐에서 자물쇠 장인의 아버지 슬하에서 7형제 중 장남으로 태어났습니다. 부모는 공식적으로 고등 교육을 배우지 않았지만 수학, 물리, 화학, 철학 등의 지식은 상당한 수준에 있었다고 합니다. 그런 아버지로부터 게오르크는 교육을 받은 것입니다. 그러므로 어린 시절부터 상당한 지식을 가진 인물이었다고 할 수 있겠습니다.

 

형제 중 몇 명은 어릴 때 죽었고, 무사히 성장한 것은 세 사람이었습니다. 그 형제 중 동생 마르틴은 나중에 수학자로서 이름을 떨친 것으로 보아 아버지의 교육은 상당히 수준 높았던 것으로 추정해볼 수 있습니다.

 

초등학교

아버지의 교육의 영향으로 초등학교의 교육 수준이 낮다고 판단하여 11세에 자퇴하게 됩니다. 지금의 초등학교 5학년에서 자퇴이니 상당한 신동이 아니었나 추정됩니다. 자퇴한 것은 교육 수준이 낮았던 것도 있었지만 과학 교육이 없었던 것도 있었던 것으로 보입니다.

 

대학

그 후 현지인 에어랑겐 대학에 16세의 나이인 1805년에 입학했습니다. 자퇴 후 5년간 어떻게 공부했는지 알려지지 않고 있습니다만 16세에 대학에 입학한 것만 봐도 보통 학생은 아닌 것이 분명합니다. 그러나 게오르크는 댄스, 당구, 아이스 하키에 빠져 버려 대학에서 휴학 명령을 내려 버립니다. 아버지는 이 일에 분노하고 게오르크를 스위스로 보내 1806년 9월부터는 수학 교사로 일하게 됩니다.

 

당시 게오르크와 친했던 칼 폰 랑스도르프가 에어랑겐 대학을 떠나 하이덴베르크 대학으로 이적하는 것을 알게 되었고 그를 따라 1809년에는 하이덴베르크 대학에서 수학 가정 교사를 하게 됩니다.

 

그는 하이덴베르크에서 수학 연구를 재개하고 싶었지만 칼 폰 랑스도르프는 그에게 오일러, 라플라스 등의 저서를 읽도록 권유하고 자신의 연구를 돕도록 조언했습니다. 두 말 하면 입이 아프지만, 오일러와 라플라스는 해석학 등 위대한 수학자였습니다. 그는 조언대로 공부에 매진했지만, 1809년에 교직을 퇴직하고 2년간 가정 교사로 일했고 1811년에 에어랑겐 대학에 복학하여 10월에 박사 학위를 취득했습니다. 여기에서 수학 교수로서의 인생이 시작됩니다.

 

교사

박사 학위를 취득한 후 수학 강사로서 채용되지만 월급이 작아 퇴직해 버립니다. 바이에른 정부의 요청으로 게오르크는 수학과 물리학 교사를 맡게 되었고, 더 나은 대우를 받을 수 있었습니다. 그러나 그는 만족하지 않았습니다. 이때 불만의 해소 차원으로 『기하학 입문서』를 집필했습니다.

 

게오르크는 이 기하학 입문서를 프로이센 왕 프리드리히 빌헬름 3세에 보내고, 왕은 감명을 받았습니다. 그 후 1817년에 게오르크는 쾰른 이과 대학의 상급 강사로 근무하게 되었습니다. 28세의 일이었습니다.

 

대학의 잘 정비된 연구 환경에서 본격적인 물리학 연구를 시작하게 되었습니다. 31세가 되는 1820년에는 엘스테드의 전자기 현상의 발견에 흥미를 가지고 전자기학의 실험을 시작하게 되었습니다. 엘스테드의 전자기 현상이란 자연계의 한 힘(전기력)이 다른 힘(자기력)으로 바뀔 수 있음을 실증한 것이었습니다. 그때까지 전기와 자기는 관련이 없는 것으로 생각되었습니다. 이때 처음으로 전자기학이 탄생한 것이었습니다.

 

이때의 게오르크의 실험은 카르바니 전지를 사용해 전류와 전압의 관계를 수학적으로 취급하는 연구에 착수하는 것이었습니다. 이때 1827년 게오르크가 출판한 서적이 『Die galvanishe Kette, mathematisch berabeitet』(수학적으로 증명된 카르바니 전지)입니다.

Die galvanishe Kette, mathematisch berabeitet, 1827

이 서적을 베를린에서 발표했지만 쾰른 이과대학으로부터의 평가가 그다지 좋은 것은 아니었습니다. 그리고 1833년 뉘른베르크 공과대학에서 근무하게 되었다. 그 후에도 한동안 제대로 평가되지 않았습니다.

 

결국 1841년에 영국 왕위 협회로부터 코플리 메달을 받아 과학 실적을 인정받았다. 1849년에 이러한 성과를 평가 받아, 염원하던 뮌헨 대학에서의 초빙 교수에 취임하게 되었습니다. 그리고 1852년 62세에 뮌헨 대학의 실험 물리 교수로 취임했지만, 2년 후인 1854년에 게오르크 옴은 삶을 마감하게 됩니다.

 

옴의 법칙 발견

헨리 캐번디쉬의 발견으로 옴의 법칙 발견

전류와 전위차가 비례한다는 옴의 법칙을 처음 발견한 것은 헨리 캐번디쉬로 1781년입니다. 그러나 캐번디쉬는 그 발견을 공표하지 않았고, 그 발견이 밝혀진 것은 1879년의 일입니다. 이 헨리 캐번디쉬는 매우 많은 법칙을 발견한 인물입니다. 예를 들어, 옴의 법칙 외에 쿨롱의 법칙과 비열, 잠열의 발견 등입니다. 그렇지만 대인 관계를 극단적으로 싫어하는 성격이었기 때문에 연구 내용을 발표하지 않았습니다.

 

게오르크 옴에 의한 옴의 법칙 재발견

옴이 이러한 법칙을 발견한 것은 푸리에의 열전도에 관한 연구를 모델로 한 것으로 알려져 있습니다. 전기의 거동을 열로 치환하고 「온도차」에 의해 열이 전해지는 「속도」라고 하면 「면적·길이」로부터 온도차→전압차 속도→전류 단면적・길이→저항값이라고 생각했습니다.

이렇게 함으로써, 저항(R)=전압(E)÷전류(I)로 유추하여 실험을 반복하였습니다. 그리고 결국 '옴의 법칙'을 확신한 것입니다. 이것을 「Die galvanishe Kette, mathematisch berabeitet」(수학적으로 증명한 카르바니 전지)에 의해 1827년에 발표했던 것입니다.

 

그의 사후 1881년 그의 업적을 기리고 국제전기협회는 전기저항의 표준단위를 Ω옴(Ohm) 이라고 칭하기로 결정했습니다.