스마트폰의 배터리로 얼마만큼의 사람을 들 수 있을까

 누구나 어느 순간 천둥과 번개 소리에 놀란 것을 기억할 것이다. 번개는 인간이 관찰한 가장 오래된 자연 현상 중 하나이다. 원시인들은 천둥 번개가 치는 어두운 밤과 찌르는 듯한 굉음을 피해 동굴 속으로 들어가 두려움에 떨었을 것이다. 위험에 대처하는 원시적인 성질 때문인지 붐비고 시끄러운 소리나 갑작스런 불빛을 피하는 것은 현대인들도 마찬가지다.

번개는 엄청난 양의 전기 에너지를 가지고 있다. 번개의 평균 에너지는 약 10억 줄(J)입니다. 약 6개월 동안 100와트(W) 전구를 켜기에 충분한 에너지입니다. 전 세계적으로 매초 40~50회의 낙뢰가 지상으로 떨어지며, 매년 약 14억회의 낙뢰가 발생한다. 그렇게 많은 번개에너지를 모아 재생에너지로 활용하는 게 좋지 않을 것 같다는 생각이 드는 건 아니지만 번개에너지를 모으는 게 쉽지 않다. 우선 한반도는 번개가 많이 치는 곳이 아니다. 1년에 1평방킬로미터당 10개의 번개만이 있다. 더욱 어려운 것은 번개의 전기 에너지가 밀리초에서 밀리초 사이에 방출된다는 것이다. 이러한 짧은 시간에 흐르는 전류를 모으기 위해서는 매우 큰 커패시터가 필요하며, 그 과정에서 에너지 손실을 막기 어렵기 때문이다.

우리는 전기를 사용하는 것에 익숙하다. 휴대폰, 컴퓨터, 전등, TV, 지하철, 자동차와 같이 우리가 일상 생활에서 사용하는 거의 모든 것은 전기로 연결된다. 우리가 필요로 하는 대부분의 기계와 장치는 모두 전기 에너지로 작동된다. 그러나 전기로 인한 현상의 원인을 직접 규명하기는 매우 어렵다. 예를 들어 번개가 칠 때 나오는 플래시는 전기의 흐름 자체가 아니라 전기의 흐름에 의해 발생하는 열로 인한 빛이기 때문이다. 사실, 번개 스파크의 푸른 빛은 약 50,000도 이상의 온도로 백만 분의 1초의 짧은 기간 동안 가열된 플라즈마로부터 온다. 전기의 흐름을 찾는 어려움은 우리 가전제품에서도 마찬가지다. 스마트폰이나 컴퓨터의 전기 회로를 통해 흐르는 전류를 직접 볼 수 없습니다. 그렇다면, 우리는 어떻게 전기의 존재를 확인할 수 있을까요?

전기의 존재를 확인하는 것은 고대 그리스로 거슬러 올라간다. 전기를 가진 소립자는 전자라고 불리며, 그리스어 "엘렉트로"는 나무의 화석인 호박을 의미한다. 고대 그리스인들은 털에 문지른 호박은 깃털을 끌어당긴다는 것을 발견했다. 물론 당시에는 이것이 호박과 털의 마찰로 인한 전기적 현상이라는 사실이 알려지지 않았지만 고대 그리스인들은 전기적 현상을 관찰해 원인을 알 수 없었지만 호박으로 털을 문지르는 과정에서 '어떤 힘'이 발생한다는 것을 확인했다.

이전 기사[부상 방법]에서 보았듯이, 힘의 존재를 확인할 수 있는 유일한 방법은 물체의 가속이다. 고대 그리스인들이 목격한 전기의 존재는 3전기로 충전된 황박이 '깃털'을 끌어당겨 황색 쪽으로 가속시키는 '힘'으로 확인된다고 할 수 있다. 물체를 가속시키는 '어떤 힘', 즉 전기력이 존재하기 위해서는 그 힘의 근원이 되는 '무엇인가'가 존재해야 하며, 그 존재가 '전기'이다.

우리가 체계적으로 전기력, 즉 전기력을 분석할 수 있었던 것은 뉴턴의 운동 법칙 덕분이었다. 17세기 말 뉴턴의 운동법칙이 발표되기 전에는 힘과 운동에 대한 이해가 부족했고, 물론 전기력에 대한 이해도 미미했다. 당시 전력은 트라이보전기를 다룰 줄 아는 소수의 사람들이 사용하던 마술사들의 전유물이었다고 보는 것이 좋을 것이다. 마찰 전기를 만들어 체내에 소량의 전기를 넣어 중력에 대항해 동전을 올리는 것이 가능했기 때문이다. 사실 전기의 성질을 이해하는 데 가장 큰 걸림돌은 전기 자체의 정체성 파악이 어렵다는 점이었다. 전기는 눈으로 직접 볼 수 없지만 만유인력의 원천인 물체의 질량은 육안으로 확인할 수 있다. 중력에 의한 힘, 즉 무게는 적어도 물체의 크기나 수에 비례한다는 것을 직감적으로 알 수 있다. 예를 들어 사과 두 개 질량이 사과 한 개 질량의 두 배라고 이해할 수 있지만 보이지 않는 전기의 크기나 양을 파악하기는 어렵다.

물질의 가장 작은 단위가 원자인 것처럼, 20세기 초에야 전기의 양에 최소 단위가 존재하며, 그에 상응하는 입자는 음전하 "전자"와 양전하 "양성자"라는 것이 밝혀졌다. 이때까지 물체에 의해 전달되는 전기량을 '전하'로 정의했고, 같은 부호의 전하간에는 반발력이 작용하고 다른 부호의 전하간에는 당기는 힘이 작용한다고 설명했다. 그리고 전하가 구리선과 같은 도체를 통해 물처럼 흐를 수 있는데, 이러한 이동의 현상은 전류로 생각되었다. 하전입자에 대해서는 명확하지 않았지만, 이러한 가정을 통해 전기적 현상을 이해할 수 있었다. 이렇게 정의되는 전하의 개념은 전하를 정량적으로 이해하고 전하 사이의 힘의 법칙을 확립하는 데 큰 역할을 하였다. 18세기 중반에 프랑스의 물리학자 쿨롱은 하전된 물체들 사이의 힘이 전하 크기의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례한다는 것을 보여주었다. 전하 크기를 정확히 파악하기 어려운 상황에서 이 법칙이 발표됐지만, 최근 실험에서는 정확도가 높아진 '거리의 제곱에 반비례하는 힘의 법칙'이 유효하다는 것이 입증됐다.

쿨롱의 힘의 법칙을 증명하기 위해서는 전하의 크기를 정확히 알아야 한다. 이전 글에서 간략하게 언급했듯이 [kg 에너지는 다이어트 중] 국제 단위계에서는 전하 대신 전류를 기준으로 한다. 충전 기준은 전류와 시간의 기준에 따라 부수적으로 (전류) x (시간)에 의해 결정된다. 전하의 단위는 쿨롱(C)이다. 1 쿨롱은 1초에 1암페어(A)의 전류를 흘려 축적된 전하량이다. 현재의 국제 단위계에서는 병렬 도체 사이에 작용하는 힘이 1m 간격으로 작용하는 전류의 크기를 도체 길이의 1m당 2x10-7N으로 정의한다. 이 정의는 사실 뉴턴(N)의 힘의 단위에 의존한다. 1 N의 힘은 1 kg의 물체가 1 m/s2에서 가속하도록 하는 힘의 크기로 정의된다. 길이 미터(m)와 시간 초(s)가 물리적 원리에 의해 결정된다는 점을 고려하여 킬로그램 기준의 중요성을 재평가한다.

국제 단위계의 대부분의 단위들이 처음에는 임의의 경험적 표준을 따랐기 때문에, 전류의 표준은 원래 경험적 방식으로 결정되었다. 국제표준이 제정되기 전 전류의 표준암페어는 질산은 용액에서 1.118mg의 은을 전기화학적으로 침전시키는 데 필요한 전류량으로, 현재의 국제단위계와는 0.015% 차이가 난다.

에너지는 일을 하는 능력이다. 예를 들어, 질량이 1kg인 물체가 0.8m의 높이로 이동한다고 가정하자. 이 물체를 중력에 대항하여 위로 들어 올리려면 약 10N의 힘이 필요하다. 물체를 천천히 들어올릴 경우, 들어올리기 전과 후의 물체의 속도는 모두 '0'과 같지만, 들어올리기 과정에서 중력에 가해지는 힘은 상승된 상태의 물체에 위치 에너지로 저장된다. 에너지의 단위(J)는 또한 힘과 거리의 곱에 의해 결정되는 일의 단위이다. 0.8m 높이에서 들어올린 물체가 자유낙하해 0m로 다시 떨어지면 그 물체의 속도는 4m/s이고 운동에너지는 (수직)x(1kg)x(4m/s)2=8J이며, 이 에너지는 10N의 인양력으로 0.8m를 이동하는 데 필요한 8J의 작업에 해당한다. 중력에 대항해 행해진 '일'이 '전위 에너지'로 저장돼 자유낙하 후 '운동 에너지'로 전환될 수 있다는 의미다. 즉, 일은 위치 에너지나 운동 에너지로 변환될 수 있다.

힘과 운동을 통한 에너지 저장은 실제 물체가 움직일 때만 가능하지만, 전기에 작용하는 힘을 사용하면 훨씬 쉽게 에너지를 저장할 수 있다. 일상 생활에서 흔히 사용되는 전압은 전기 에너지와 관련이 있다. 전압의 단위는 볼트(V)이며, 1C의 충전이 10V의 전압차로 변위되면 저장된 에너지는 10J로 결정된다. 10V의 전압차에 저장된 1C의 전하의 에너지는 1kg의 물체가 1m 자유낙하에 있을 때 생성되는 물체의 운동에너지와 거의 동일하다. 기계적으로는 질량이 1kg인 물체를 중력에 대해 1m 정도 높이 들어 올려야 에너지를 저장할 수 있지만, 전기 에너지는 물체를 실제로 움직이지 않고 전하에 저장할 수 있다. 예를 들어 최신 스마트폰의 리튬이온 배터리 용량이 '2000mAh'라면 이 배터리의 충전량은 7200C로 1시간(3600초) 동안 2000mA 전류가 흐르는 양이다. 따라서 5V 전압차로 이 정도의 충전량을 유지하는 스마트폰에 저장된 전기에너지는 36kJ이다. 질량이 36kg인 물체를 약 100m로 들어올릴 수 있는 에너지 또는 질량이 3600kg인 물체를 약 1m로 들어올릴 수 있는 에너지이다. 이 스마트폰 배터리가 충전하는 전기에너지는 수력발전소에서 약 100m 높이로 36kg의 물을 떨어뜨렸을 때 발생하는 운동에너지와 맞먹는다.