갈바니 전지

놀이터 미끄럼틀 위에 올라선 아이를 떠올려 볼게요. 손을 놓으면 저절로 아래로 미끄러져 내려와요. 위와 아래에 높이 차이가 있을 때만 이런 움직임이 생겨요.

금속들도 전자를 쥐고 있는 힘이 서로 달라요. 아연은 전자를 헐겁게 쥐고 있고, 구리는 그보다 꽉 쥐고 있어요. 두 금속을 나란히 놓으면 전자가 보기에 미끄럼틀 같은 높이 차이가 생겨요.

이제 두 금속을 소금물에 함께 담근 채 도선으로 이어 볼게요. 아연에 헐겁게 매달려 있던 전자들이 줄지어 구리 쪽으로 미끄러져 내려가요. 이 전자들의 줄지은 흐름이 바로 전류예요.

이런 전지 하나는 힘이 약해서 꼬마전구를 켜기는 어려워요. 여러 개를 줄줄이 이으면 LED처럼 전기를 적게 쓰는 부품을 켤 수 있어요. 전자가 흘러나오는 아연 쪽을 마이너스 극이라고 불러요. 전자가 도착하는 구리 쪽은 플러스 극이에요. 레몬이나 묽은 산에 담근 이런 전지에서는 구리판에 도착한 전자를 구리가 아니라 액체 속 수소 이온이 받아 가서 기포가 생겨요.

미끄럼틀 아래에 아이들이 내려와 계속 쌓이면 어떻게 될까요. 자리가 없어서 위에 있던 아이들도 더는 내려오지 못해요. 전자도 똑같은 처지가 돼요.

아연 쪽 액체에는 녹아 나온 아연 이온(+)이 쌓이고, 구리 쪽 액체에서는 전자를 받아 간 양이온이 줄어들어요. 이렇게 액체 속 전기 균형이 깨지면 흐름이 곧 멈춰요. 그래서 도선 말고 되돌아가는 길이 하나 더 있어야 해요. 두 금속을 담근 액체가 그 길이 돼요.

액체 속에는 전기를 띤 알갱이인 이온이 떠다녀요. 이 알갱이들이 좌우로 옮겨 다니며 한쪽에 쌓인 쏠림을 풀어 줘요. 이런 일을 해 주는 액체를 전해질이라고 불러요.

소금물, 식초, 레몬즙 모두 이 일을 해요. 레몬즙이나 묽은 산은 구리판에서 전자를 받아 갈 수소 이온을 내주는 역할도 해요. 레몬에 아연못과 구리판을 꽂아 두는 과학 시간의 장치가 바로 그것이에요. 다만 레몬 하나로는 힘이 약해서, 작은 전자시계를 켜려면 여러 개를 줄줄이 이어야 해요.

전지는 전기를 미리 담아 둔 물통이 아니에요. 안에 들어 있는 것은 아직 미끄럼틀을 타지 않은 화학 물질이에요. 전지가 하는 일은 저장이 아니라, 화학 반응에 숨어 있던 힘을 전기로 바꿔 주는 일이에요.

그래서 쓸수록 아연이 조금씩 녹아 사라져요. 미끄럼틀 위로 올라갈 아이가 다 떨어지면 흐름도 멎어요. 다 쓴 건전지가 더는 힘을 내지 못하는 이유가 여기에 있어요.

화학 시간에 배우는 산화 환원 반응이 바로 이 장면이에요. 전자를 잃는 쪽과 얻는 쪽이 한자리에서 만나면 그 힘은 열로 흩어지고 말아요. 두 자리를 떼어 놓고 그 사이에 도선을 깔아 전자가 지나갈 길을 만든 것이 이 전지의 아이디어예요.

한 가지만 덧붙일게요. 다시 충전해 쓰는 전지는 바깥에서 전기를 밀어 넣어 전자를 미끄럼틀 위로 도로 올려놓는 방식이에요. 같은 미끄럼틀을 여러 번 쓰는 셈이지요.