혹시 과학 유튜브에 관심이 많은 사람이라면 한 번쯤 본 적 있을 수 있는 유튜브 채널중의 Veritasium 에서 올라온 하나의 영상을 소개하고자 한다. 그냥 소개하는 것에서 끝이 아니라 논란과 토론이 충분히 있을 수 있는 영상이기 때문이다.
이 글을 통해서 캡쳐와 설명을 보여주긴 할텐데, 영상은 또 영상으로 보는 재미가 있으니까 한 번씩 봐줬으면 좋겠다.
링크 : https://youtu.be/bHIhgxav9LY
이 영상을 관통하는 주된 주제는 다음 그림과 같은 간단한 사고실험이다.
전원장치, 전구, 스위치와 매우 긴 도선으로 구성된 그림과 같은 간단한 회로를 사용한 사고실험이다.
전원장치와 전구는 1m로 아주 가까이 있고, 전선은 한 바퀴를 온전히 돌으려면 빛의 속도로 2초 걸릴정도로 길다.
여기서 질문) 위와 같은 회로에서 스위치를 닫으면 몇 초 후에 전구가 켜질 것인가?
A) 0.5초 B) 1초 C) 2초 D) 1/c 초 E) A~D모두 아님
여기서 Veritasium이 영상에서 주장한 정답은 놀랍게도 [D] 이다.
흔히 생각할 수 있는 정답으로 B) 정도를 생각하는 것이 일반적인데, 이것이 전기에 관한 큰 오해라는 것이 영상의 이야기이다.
그리고, 이것은 논리적으로 말도 안된다고 반박영상도 유튜브에 많이 올라온 것이 보이는데 우선 반박하기 전에 Veritasium의 주장부터 살펴보자.
근거로 제시된 설명은 포인팅 벡터를 이용한 설명인데,
고등학교 물리책에는 나오지 않지만, 일반물리학 정도에서 처음 등장하는 개념인데,
어떤 단위면적을 단위시간당 수직으로 통과하는 에너지량을 측정하는 물리량으로 단위계에 따라 표현은 다르지만 전기장벡터와 자기장벡터의 외적으로 계산된다. 전기장만 있으면 에너지가 흐르지 않고, 자기장만 있어도 에너지는 흐르지 않으며, 둘 다 있더라도 수직해야만 에너지가 흘러간다는 이야기이다.
전기장은 도선 안에만 위의 그림처럼 분포되는 것이 전부가 아니라 조금 더 글로벌하게 관찰하면
배터리가 만들어낸 전위차에 의해서 위쪽은 (+), 아래는 (-) 전하로 대전되서 저런 방향의 전기장도 형성이 된다.
그리고 전류가 흐르기 때문에 생겨나는 자기장도 있기 때문에 아래 그림에서의 파란색 화살표 방향으로 자기장이 형성되고,
위의 빨간색 전기장 벡터의 방향과 자기장 벡터의 방향은 서로 대략 수직한 방향이 되고 이것의 외적을 계산하면 포인팅 벡터의 방향을 알 수 있다는 설명이다. 그래서 아래 그림을 기준으로 노란색으로 표시한 것이 포인팅 벡터의 방향이 된다.
그래서 하고자 하는 이야기는 에너지가 전자를 통해서 도선을 따라서 이동하는 것이 아니라 회로가 만들어내는 전/자기장이 있고, 그것들이 서로 상호작용을 하면서 에너지의 흐름이 결정된다는 이야기이다.
그러니까 저런 송전선을 타고 전류가 흐를 때, "전선"을 타고 에너지가 이동하는 것이 아니라 저 전선 사이의 공간에 형성된 전기장과 자기장에서 에너지가 이동한다는 것이다.
과거 과학자들도 이것에 대한 오해를 해서 대서양 횡단 전신 케이블(Transatlantic telegraph cables)을 만들었을 때 고생을 했다고 설명한다.
몇 명의 전문가들도 약간씩의 차이는 있었지만, 원래의 문제의 답은 D정도로 동의했다고 한다.
이 영상을 보고 말도 안된다고 하면서 불타오른 해외 유튜버들이 몇 보이긴 하는데 관심 있으면 하나씩 보는 것도 재밌겠습니다.
님들의 생각은 어떻습니까?
