토마스 에디슨은 실험가이면서 발명가로 너무나 잘 알려져 있다. 그의 많은 발명품 중 전자기의 원리를 이용한 것들은 우리 주변에서 쉽게 볼 수 있다.
가짜 동전 식별기
에디슨은 자석을 이용해 저순도의 철광석에서 철만을 분리할 수 있는 공정을 개발했다. 1880년대 사람들은 철광석이 곧 고갈돼 버릴 것이라고 생각했기 때문이다.
에디슨은 뉴저지 주의 2천 3백만평(여의도의 11배)이 넘는 땅에 분리공정을 만들었는데 그는 그곳에 저순도 철광석이 2억t이상 매장돼 있다고 믿고 있었다. 그는 분리공정이 매우 간단할 것이라고 생각했다. 그러나 생각만큼 쉽지 않았다.
분리공정은 수km의 컨베이어, 피아노 크기만한 바위를 가루로 만드는 엄청난 롤러, 그리고 당시 세상에서 가장 큰 중기삽(중기의 힘으로 삽질하는 기계)으로 구성돼 있었다.
분쇄된 바윗가루는 광석분리기로 끌어 올려져 여러개의 큰 자석과 여과기를 통과한다. 자석에 붙은 철은 이미 준비돼 있는 수집장소로 보내졌고 바윗가루는 분리기 꼭대기에서 아래로 떨어져 버렸다.
우리도 에디슨의 원리를 이용해 철로 만들어진 가짜 동전을 구별할 수 있는 분리기를 만들 수 있다.
자! 이제 동전을 분리해 보자. 동전분리기의 중앙선에서 동전과 와셔를 떨어뜨린다. 동전분리기가 정상적으로 작동한다면 와셔는 전자석이 있는 쪽으로 동전은 반대쪽으로 떨어지게 된다.
왜 그럴까? 와셔는 철로 만들어져 있고 동전은 니켈과 구리로 만들어져 있다. 자석은 철을 끌어 당기지만 니켈이나 구리에는 자석의 인력이 작용하지 못하기 때문이다. 같은 원리로 에디슨은 모래와 철을 분리할 수 있었다.
자판기는 어떻게 동전을 분리할까
자판기로 투입된 동전은 정확하게 평형을 이루고 있는 깔딱쇠로 떨어진다. 동전이 충분히 무거우면 깔딱쇠는 기울고 동전은 경사로로 들어간다. 무게가 가벼운 동전은 경사로로 가지않고 반환통로로 떨어져 버린다(①). 경사로를 통과한 동전은 자석이 설치돼 있는 경사로를 따라 굴러간다. 동전에 따라 금속의 종류가 다르기 때문에 자력의 영향이 달라 떨어지는 속도가 다르다. 정상적인 동전은 곧 바로 수납기로 떨어진다. 그러나 지나치게 무겁거나 자력의 영향을 적게 받은 동전들은 전향기에 걸려 분리기로 가게 된다(②).
고전적인 연구
에디슨이라 이름을 들을 때 무엇이 가장 먼저 떠오를까? 단연 전구다. 그는 1879년 전구를 발명했다. 전구는 유사 이래로 인간이 만든 최초의 인공광원이다.
사실 에디슨이 전구를 발명하기 전에 실질적인 인공 광원은 이미 발명돼 있었다. 1800년대 초에 미국과 유럽의 과학자들이 수백가지의 발광전구를 실험했다. 그러나 에디슨이 성공할 때까지 그들은 전구를 완성할 수 없었다.
전구의 원리는 매우 간단했음에도 에디슨 이전에 발명되지 못한 이유는 무엇일까? 전구는 공기가 제거된 밀폐된 유리 공간 속에 코일로 된 필라멘트로 구성돼 있다. 필라멘트는 달궈지면서 열과 빛을 동시에 방출하는데 뜨거울수록 전구는 더 밝게 빛난다.
에디슨 이전의 과학자들은 필라멘트로 사용 가능한 물질을 찾지 못했다. 또 전구는 필라멘트가 금방 타버리는 것을 막기 위해 진공상태여야만 했다.
탄소가 필라멘트에 적격이라는 것을 발견한 에디슨은 전구 속에 있는 공기를 완벽히 제거하는 방법을 찾는데 상당한 시간이 걸렸다. 우리도 간단한 전구를 만들어 보자.
유리병 안의 공기가 제거되지 않은 상태에서도 스위치를 연결하면 전구에 불이 들어온다. 그러나 필라멘트가 산소와 반응해 산화돼 끊어져 버리기 때문에 전구의 수명이 짧다. 전구의 수명을 길게 하는 방법이 바로 전구 안을 진공으로 만드는 것이다.
전구안을 진공으로 만드는 법
초를 병속에 세워놓고 불을 붙인 후 유리병의 뚜껑을 꼭 닫는다. 초가 타는 동안 병은 튼튼하게 밀폐될 것이다. 병 속에 산소는 소모되면서 물과 이산화탄소를 발생시킨다. 산소가 없어지면 촛불은 꺼진다. 이제 다시 스위치를 연결해 전구를 켜보자. 이번에는 필라멘트가 더 오랜 시간 달궈질 것이다.
