인간 피부의 전기저항은 여러 가지 조건에 따라 변한다. 피부의 표면에는 한선(汗腺)이 있어서 땀이 나는 정도에 따라 저항도 크게 변한다. 일반적으로 피부 한선세포의 활동은 정신적인 자극에 따라 변하는데, 이 변화를 이용한 것이 바로 ‘거짓말 탐지기(polygraph)’이다.

거짓말 탐지기는 손목과 손바닥에 전극을 부착시켜 여기에 전지(2·3볼트)와 전류계를 연결하여 전류를 흘리면 수 10㎂의 전류가 흐른다. 검사받는 사람에게 여러 가지 정신적인 자극을 주면 피부의 한선세포가 반사적으로 활동하여 피부의 전기저항이 감소해서 전류가 증가한다. 이것을 전기 피부반사, 또는 정신전기 현상이라 부르는데, 자극을 준 후 1~2초 내에 반응이 일어나고 2~3초 후에는 최대에 이르렀다가 서서히 원 상태로 되돌아간다. 이 반사는 미세한 정서의 움직임에 대해서도 민감하게 작용하므로 거짓말을 발견할 수 있다는 것으로 이 장치를 거짓말 탐지기라고 하는 것이다.

용의자의 조사에 잘 이용되지만, 만능이라고 할 수는 없다. 심장이 강한 사람이나 정신이상자에게는 잘 통용되지 않는다고 한다. 한의학에서는 침이 자주 이용되는데, 최근에는 이 침에도 전기를 부착시켜 쓰는 수가 있다. 즉 침을 꽂은 후 약한 전류를 흘리면 치료의 효과가 높아지는데, 이는 전류가 신경이나 근육을 자극하기 때문이다.

또 수술할 때 마취제를 이용하지 않고, 침으로 마취하는 경우도 있다. 이전에 모 대학 병원에서 침마취로 큰 수술을 해서 화제가 된 일도 있다. 이 경우 마취제는 일체 사용하지 않지만, 인체에 꽂은 침에 전류를 흘리면 절개하는 부분의 신경이 마비되어 버리기 때문에 메스로 근육을 절개해도 환자는 조금도 아파하지 않는다는 것이다. 침마취의 이점은 큰 수술에서도 보통의 마취처럼 전신마취를 할 필요가 없으며, 따라서 수술중 환자와 이야기도 나눌 수 있는 것이다.

수술할 때 사용하는 메스에 전기 메스라는 것이 있다. 이것은 주파수 1~3㎒, 전압 800~1500볼트의 고주파 전압을 바늘이나 칼 모양의 전극(電極)에 가한 것이다. 이 전기 메스에 의한 절개는 전극의 끝에서 고주파 전류에 의해 유전체 발열이 일어나 이것에 의해 조직 내에 발생한 기체가 폭발하는 작용에 의한 것이다. 또 절개된 부분의 단백질이 열 때문에 굳어져서 출혈을 방지한다. 매초 1㎝ 정도의 속도로 움직이면 뼈까지 끊어진다. 출혈이 많은 곳이나 뇌, 간장 등 출혈이 있어서는 안 되는 부위의 수술에 이용된다.

뱀이나 지네라면 겁이 없는 사람도 전기에 쏘이면 깜짝 놀라서 자신도 모르게 손을 움찔한다. 그것도 예기치 않은 경우, 쇼크는 크다. 같은 전기라도 1.5볼트의 건전지인 경우 감전의 위험은 없지만 가정에 들어오고 있는 100볼트의 전기는 간단히 만질 수 없다.

100볼트에서 감전돼도 죽는 일은 적겠지만, 이것이 220볼트의 삼상교류(三相交流)라면 위험은 훨씬 커진다. 그런데 고압송전선에 곧잘 새가 앉아 있지만, 아무렇지도 않다. 어째서 감전되지 않을까. 새가 송전선에 앉아 있는 것을 보면 한 가닥의 전선에 두 발을 얹고 앉아있다. 전선의 전기 저항은 매우 적기 때문에 양쪽 발 사이의 전압은 매우 낮을 수밖에 없다. 그 때문에 새의 몸을 우회해서 흐르는 전류는 극히 적어 감전되지 않는 것이다.

전기에 쏘이면 찌릿한데, 이것은 무엇 때문일까. 이렇게 찌릿한 것은 교류전압이 60㎐로 진동하고 있기 때문일까. 직류전압에 접촉해서 실험해 보았더니, 역시 교류와 마찬가지였다. 그런데 감전사의 위험률은 전압이 높을수록 크다는 것을 알 수 있다. 그렇다면 감전사란 전압에 의한 것일까 아니면 전류에 의한 것일까. 감전은 인체의 외부에서 전압이 걸려 인체의 근육이나 내장에 전류가 흘러 들어가 상해를 주는 것을 말한다.

특히 심장에 전류가 흘러 상해를 입히면 치명적인데, 이처럼 인체에 흐르는 전류의 크기가 문제인 것이다. 보통 인체에 50㎃ 이상의 전류가 흐르면 심장을 움직이고 있는 근육이 경련을 일으켜 치사할 위험성이 있다. 도표는 인체를 통과하는 전류에 의한 반응을 나타낸 것이다. 전류의 크기에 따라 이렇게 반응도 달라진다. 인체를 흐르는 전류의 크기는 옴의 법칙을 따르므로 높은 전압에 접촉할수록 큰 전류가 흐른다. 인체의 저항은 조건에 따라 다르지만, 대략 400~2000Ω 정도라고 한다. 손발이 젖어 있으면 그만큼 저항이 적어져 위험이 높아진다.

전기를 만들어 내는 물고기가 있다. 전기뱀장어, 전기메기, 전기 가오리 등이다. 전기뱀장어는 800볼트나 전기를 발전한다고 한다. 아마존강 깊숙이 살고 있는 전기뱀장어는 2m가 넘는 것도 많다고 하는데, 목욕하는 사람들에게 전기 충격을 주어 매년 부상자가 생긴다는 것이다. 그렇다면 전기어들은 어떻게 높은 전압의 전기를 만들어 내는 것일까.

동물의 체내에는 다량의 이온이 존재하고 있는데, 이온의 분포나 이동이 균일하지 않으면, 음양의 전하가 분리하여 전위차가 생긴다. 동물의 근육이나 신경을 구성하는 세포는 세포막에 싸여져 있고 그 내부와 외부는 이온이 함유된 전해질로 가득 차 있다. 세포의 내부와 외부에서는 이온의 조성에 큰 차이가 있어 일반적으로 세포내에는 칼륨 이온(K+)이 많은 데 세포 외에는 나트륨 이온(Na+)이 많이 존재하고 있다.

그러나 보통 때는 세포막이 나트륨 이온보다도 칼륨 이온 쪽을 잘 통과시키는 성질이 있기 때문에 칼륨 이온은 막을 통해 세포막 바깥쪽으로 확산하려 한다. 그 결과 세포 내의 양전하가 감소하여 세포막을 경계로 안쪽이 바깥쪽에 대해서 음이 되는 것과 같은 전위차가 생기는데, 이것을 막전위(膜電位)라고 한다. 이 전위차는 대개 수십 밀리볼트이다.

그러나 신경이나 근육이 흥분하면 세포막의 성질이 변화해서 칼륨 이온에 대한 것보다도 나트륨 이온에 대해서 높은 투과성을 나타내기 때문에 나트륨 이온이 세포 내로 한꺼번에 유입하게 된다. 그 결과 세포 내부가 외부에 대해서 양의 전위차를 갖는다는 역전현상이 일어나는데, 이 막전위를 활동전위라고 하고 흐르는 전류를 활동전류라고 한다.

전기가오리나 전기뱀장어의 발전기관은 횡문근(橫紋筋)이 변화한 것으로 다수의 전기판(電氣板)이라고 불리는 편편한 세포가 규칙 바르게 배열한 구조를 갖고 있다. 이들 전기판이 직렬로 접속가산 됨으로써 높은 전압이 발생하는 구조로 되어 있는 것이다.

플레밍의 오른손법칙도 있다

코일을 관통하는 자력선이 변화하면 유도기전력이 발생해서 유도전류가 흐른다.

자계 H속에 놓인 U자형 도선 위에 길이 ℓ의 도체 막대를 양끝을 접속시키고 자계의 방향에 직각으로 속도 v로 움직인다고 가정할 경우, 하나의 폐회로(閉回路)로 되어있는 PQRS에 도선이 진행하면 폐회로 내부의 자력선 수가 변화하므로 패러데이의 전자유도 법칙에 의해 폐회로는 유도기전력이 발생한다.

유도기전력의 크기는 이 폐회로를 관통하는 자력선의 변화 속도에 비례하게 된다. 따라서 회로에 발생하는 유도기전력의 크기 V는 자계의 세기 H, 도선의 길이 ℓ, 도선의 속도 v에 비례하게 된다. 즉, VαHℓv(α는 비례표시 기호)로 표시된다.

이때 유도기전력은 렌쯔의 법칙에서 회로를 관통하는 자력선의 증가를 방해하는 방향 즉 Q→R→S→P의 방향으로 유도전류를 흘리는 것처럼 발생한다. 이 유도전류의 방향을 아는데 편리한 플레밍의 오른손 법칙이라는 것이 있다. 이것은 전자력의 방향을 결정하는 ‘플레밍의 왼손 법칙’과 혼동하기 쉬우므로 각별히 주의해서 기억해 둘 필요가 있다. 이 두 가지는 왼손과 오른손의 차이 뿐이며 각 손가락이 가리키는 것은 같다. 

자계 속을 움직이는 도선에 유도전류가 발생하는 현상을 응용한 것이 ‘발전기’이다.

자계 속에 있는 전기자(회전자) 코일을 화살표 방향으로 회전시키면 코일에 유도전류가 흐른다. 코일면이 연직면(鉛直面)과 평행이 되는 전후에서는 코일에 발생하는 유도 전류의 방향이 반대가 된다. 그래서 직류 모터의 경우처럼 정류자(整流子)를 붙이면, 항상 같은 방향의 전류가 흐르게 되는 것이다. 

발전기·변압기는 이렇게 해서 생겨났다

전류에 의해서 자계가 얻어진다면 반대로 자계에서 전류를 얻을 수도 있지 않을까. 

이런 생각을 바탕으로 끈기 있게 실험을 계속한 사람들이 있는데, 영국의 패러데이, 러시아의 렌쯔, 미국의 헨리 같은 과학자들이 대표적인 인물이다. 

그래서 전자유도(電磁誘導)란 중요한 현상이 이 세 사람에 의해 거의 같은 시기에 각각 독립적으로 발견되었는데, 그 중에서도 1831년에 발표한 패러데이가 가장 빨랐기 때문에 결국은 그의 업적이 되고 말았다.

코일의 양끝에 검류계를 연결하고 자석을 코일에 가까이 했다 멀리 했다 하면 검류계의 바늘이 흔들린다. 즉 전기가 흐르고 있는 것이다. 

전류의 크기는 자석을 움직이는 속도가 빠를수록 크고, 전류의 방향은 가까이 할 때와 멀리 할 때 반대가 되며, 또 N극과 S극에서도 반대가 된다. 이러한 현상은 자석을 그대로 둔 채 코일 쪽을 움직여도 마찬가지이다. 

자석 대신 코일로 대체할 경우, 스위치를 달아 이 코일에 전류를 넣거나 끊거나 하면, 본래의 코일에도 그 순간만 전류가 흐른다. 그 전류의 방향은 다른 코일에서 전류를 넣을 때와 끊을 때에 반대가 된다. 이처럼 자계의 변화에 의해 도체에 기전력(起電力)이 발생하는 현상을 전자유도라고 하며 이 기전력을 유도기전력(誘導起電力), 흐르는 전류를 유도전류라고 한다.

유도기전력의 크기에 관해 패러데이는 ‘유도기전력은 코일을 관통하는 자력선이 변화하는 속도에 비례한다’는 사실을 알아냈다. 이것을 패러데이의 전자유도의 법칙이라고 한다. 언뜻 보기에는 간단한 것 같지만, 매우 중요한 현상을 나타내는 대법칙으로 이 법칙이 근거가 되어 발전기나 변압기도 발명할 수 있었던 것이다.

한편 유도기전력의 방향에 대해서는 렌쯔가 ‘유도기전력은 유도전류가 만드는 자계가 원래의 자계의 변화를  방해하는 방향으로 발생한다’는 법칙을 밝혀냈다. 이것을 렌쯔의 법칙이라고 한다. 이 법칙에 의해서 코일에 흐르는 유도전류의 방향을 알 수 있게 되었던 것이다.