비운의 천재 과학자 니콜라 테슬라

테슬라는 1856년 크로아티아에서 태어났다. 그는 젊은 시절 미국으로 이민하여 수많은 발명품과 현대 전기문명에 큰 업적을 남겼다. 니콜라 테슬라는 현대 과학기술의 발전에 결정적인 기여를 하였음에도 불구하고 일반인에게 크게 알려지지 못한 비운의 천재 과학자였다. 그렇게 된 것은 에디슨과도 관련이 있다. 테슬라는 28세 되던 해, 미국으로 이주하여 잠시 에디슨과 함께 일했으나 직류와 교류방식에 대한 의견 차이로 에디슨과 헤어져 독자적으로 연구를 했다. 테슬라가 에디슨 연구소에서 연구할 때부터 에디슨은 테슬라의 천재적인 재능을 질투의 눈으로 바라 보았고, 테슬라가 에디슨의 직류시스템의 문제점을 제기하며 교류시스템을 개발하자 에디슨은 전기를 저가로 공급할 수 있는 방법을 찾으면 테슬라에게 거액을 주겠다고 한 약속을 지키지 않았다고 한다. 그래서 테슬라는 에디슨을 떠났다.

재평가 받는 테슬라, 자기장 단위에 이름을 남기다

하지만, 테슬라의 교류시스템이 우수하다는 사실을 간파한 웨스팅하우스 전기회사의 창립자 조지 웨스팅하우스는 테슬라의 특허를 사들였으며, 테슬라는 웨스팅하우스의 도움으로 교류발전기와 송배전 시스템을 발명했다. 이 발명은 1895년 웨스팅하우스사가 나이아가라 폭포에 교류발전기를 사용한 수력발전소를 만들면서 빛을 보게 되었다. 교류시스템의 상용화가 테슬라 한 사람만의 업적은 아니지만, 나이아가라 폭포 발전소 교류발전기에 필요한 13건의 특허 중 9개가 테슬라의 것이라는 사실만 봐도 그의 공이 어느 정도인지 가늠케 한다.

1961년, 국제순수 및 응용물리학 연맹(IUPAP)은 자기장의 세기를 나타내는 단위로 테슬라의 이름을 딴 T(Tesla)를 쓰기로 정했다. 테슬라가 남긴 업적에 비해 사람들에게 널리 알려지지 못했던 그의 이름이 자기장의 단위로나마 많은 사람들의 기억 속에 남게 되었다. 이후 크로아디아는 2006년에 테슬라 탄생 150주년을 기념해 ‘니콜라 테슬라의 해’를 선포했고, 미국의 주간지 <라이프>는 20세기 가장 영향력 있는 100인에 테슬라의 이름을 올렸다. 또, 세르비아는 베오그라드국제공항이름을 ‘테슬라 공항’으로 바꾸었다. 이처럼 테슬라는 재평가되고 있다.

테슬라코일의 작동 원리는 공진

테슬라코일은 고전압을 만드는 장치로, 수십에서 수백만 볼트의 전압을 만들어 낼 수 있다. 테슬라코일은 6개의 기본요소로 구성된다. 구성요소는 1차 고전압 트랜스(High voltage transformer), 고전압 콘덴서(Hig voltage capacitor), 스파크 갭(Spark gap), 1차 코일(Primary Coil), 2차 코일(Secondary Coil), 토로이드(Toroid)이다.

테슬라코일을 작동시키면 1차 고전압 트랜스가 가정용 교류 전압(=220 볼트)을 수만 볼트(과천과학관의 경우 4만 볼트)정도로 변환한다. 이렇게 변환된 에너지는 고압의 콘덴서를 충전시키고, 콘덴서에 충전된 전하가 스파크 갭을 가로지를 만큼 충분히 모아졌을 때, 스파크 갭 사이에서 스파크가 발생되고 콘덴서와 1차코일 사이에 폐회로가 형성된다. 이 때 콘덴서에 저장된 에너지는 1차 코일에 전달되고 1차 코일과 2차 코일 사이에 전자기장이 형성된다. 이러한 과정은 스파크 갭에서 스파크 방전이 초당 수백에서 수천 회까지 빠르게 반복된다. 1차 코일과 2차 코일 사이에 형성된 전자기장에 의해 2차 코일은 에너지를 흡수하고 전압이 크게 증폭된다. 이러한 원리는 마치 작은 눈덩이를 굴리면 큰 눈덩이가 되는 것과 비슷하다.

테슬라코일의 회로도(위 그림)로 보면, 테슬라코일은 2개의 LC회로로 구성된다. LC회로는 콘덴서와 코일로 구성되는 회로이며, 특정한 조건에서 공진이 일어나는 특성을 가진다. 테슬라 코일의 첫번째 LC회로는 콘덴서, 스파크 갭, 1차 코일로 구성된 발진기 역할을 하고, 2차 LC회로는 2차 코일과 토로이드로 구성되는 공진회로 역할을 한다. 2차 코일의 상단에 연결된 토로이드와 하단에 연결된 지면(접지)은 그 자체가 콘덴서 역할을 하는데, 토로이드에서 강력한 방전 스파크가 발생하는 이유는 2차 LC회로가 공진주파수 일 때 전압이 증폭되기 때문이다.

이 과정에서 공기의 팽창으로 인해 아주 큰 소음이 발생하게 된다. 테슬라코일이 동작할 때 스파크 방전이 생기고 소음이 발생하는 원리는 흐린 날 번개와 천둥이 만들어지는 원리와 같다.

테슬라코일의 응용

테슬라코일을 이용하면 물체를 순간적으로 이동시킬 수 있다는 황당한 이야기도 있었고, 전기를 무선으로 송출할 수 있다는 이야기도 있었다. 이러한 이유로 테슬라코일이 그 동안 몇몇 사람들에게 많은 관심을 받기도 했다. 영화 [프레스티지]를 보면 마술사 로버트가 순간 이동 마술을 펼치기 위해 테슬라를 찾아가 테슬라코일을 얻는 장면도 나온다. 아직 테슬라코일을 직접적으로 응용하여 상용화해서 사용하고 있는 예는 없지만, 테슬라코일은 많은 사람들에게 새로운 발명을 자극해 왔다. 현재에는 영화의 특수효과나 자동차 쇼, 올림픽 개막식과 같은 공식행사의 퍼포먼스로 널리 이용되고 있다.