장마와 함께 오는 것이 몇 가지 있는데 그중 하나가 번개이다.
오늘은 번개를 피하는 방법중 으뜸인 피뢰침에 대해서 알아보고자
한다.
번개
번개는 쌍극자 구조를 갖는 구름 내부에서 전하가 분리되어 만들어진
순 전하 영역에서 발생한다.
구름과 지면 사이의 번개 섬광은 2개의 낙뢰를 포함한다.
먼저 음전하를 띤 선구 낙뢰가 구름에서 지면으로 떨어진다.
이 낙뢰는 아주 밝지 않고 단계적으로 떨어지면서 낙뢰의 본줄기
로부터 여러개의 가지가 뻗어 나온다.
이 낙뢰가 지면과 가까워져 부딪치려는 지점에서 집중적으로
반대 전하가 유도되고 지면에서부터 구름으로 양전하를 띤
귀환 낙뢰가 생긴다.
일반적으로 두 개의 낙뢰는 지상 약 50m 지점에서 만난다.
전형적인 번개의 경우 구름과 지면 사이의 전위차는 수억 V이며
최고 20,000A의 전류값을 갖는다.
천둥
번개와 함께 생기는 천둥은 번개의 경로 전 길이에 걸쳐 높은 온도에
의해 공기가 급속히 가열됨으로써 발생하는 현상이다.
피뢰침
피뢰침은 건물 위에 설치되어 있는 끝이 뾰족하게 생긴 금속 막대이다.
천둥과 번개 벼락으로부터 구조물을 보호하는 역할을 한다.
번개가 구조물에 닿게 되면 우선적으로 피뢰침이 번개를 맞고 피뢰침과
연결되어 있는 금속선을 타고 지면에 있는 접지선으로 전하를 흘려보내
구조물을 보호하는 시스템의 단일 구성요소이다.
피뢰침의 기능을 수행하기 위해서는 접지선과의 연결이 필수이다.
피뢰침의 형태는 다양하지만 모든 피뢰침에 공통적인 특성은 구리나
알루미늄 같은 전도성 물질로 만들어져 있다.
피뢰침의 원리
피뢰침의 원리는 1749년에 미국의 정치가이자 과학자인 벤자민 프랭클린
에 의해 처음으로 상세하게 설명되었다.
그 후 몇 년 동안 개발을 통해 1760년경에 신뢰성 있는 시스템으로 발전되었다.
프랭클린은 전기와 번개 사이의 상관관계를 처음 제시한 사람은 아니다.
하지만 그의 가설을 확인할 수 있다는 시스템을 처음으로 제안했다.
프랭클린은 날카로운 금속이 정전기를 가진 물체와 닿게 되면 전기적
불꽃이 일어나는 것을 통하여 번개가 전기라는 것을 증명하려고
줄에 쇠로 된 열쇠를 매달고 연줄 끝을 전기를 모으는 라이덴 병에 연결하여
연을 날렸다.
이를 통해 연의 철사에 번개가 치면 연이 전기를 띠고 전기가 젖은 연줄을
통해 열쇠를 대전시켜 그 전기가 라이덴 병에 모이는 것을 보여주었다.
그래서 번개가 전기라는 것을 증명하였고 전기를 방전시킬 수 있다는 것을
보여주었다.
피뢰침이 뾰족한 이유
피뢰침이 뾰족한 것은 전기의 특성 때문이다.
반지름이 서로 다른 두 금속 구체를 전선으로 연결하여 대전시키면
반지름이 작은 구체가 면 전하밀도가 더 크도록 전하가 배분된다.
이렇게 해야 표면의 전위가 같아지기 때문이다.
그래서 뾰족한 표면에 전하가 집중된다.
피뢰침은 낙뢰를 끌어들이는 것이 목적이기 때문에 지면이 대전될 때
더 많은 전하가 피뢰침 끝에 집중되도록 끝을 뾰족하게 만드는 것이다.
피뢰침의 종류
요즘 제작되는 피뢰침의 종류는 종류가 다양하다.
수동식 피뢰침도 있고 주변에 초 대량의 전하를 이용하여 보호막을 형성
하고 번개가 형성될 때 초기의 이온화 과정이 보호막이 있는 곳에서
발생하지 못하도록 하는 제품도 있다.
하지만 보호막을 형성하는 제품은 자기가 보호하는 영역 외에는 신경을
쓰지 않기 때문에 전도 경로가 밀려나 이상한 곳에 번개가 떨어지는
단점을 가지기 때문에 광역 피뢰침이나 능동 유도식 피뢰침과 같이 쓰인다.
전신주에서는 피뢰침 역할을 하는 가공지선이 설치되어 있다.
▶ 일반 피뢰침
▶ 이온 방사형 유도 광역 피뢰침
★ 국내에서 개발한 제품으로 가격이 저렴하다.
★ 한국전기연구원의 성능 테스트를 통해 성능이 입증되었다.
★ 내부 회로에 반영구적 소자를 적용하였다.
★ 스테인리스로 제작되어 내구성이 우수하다.
▶ 고성능 피뢰침
★ 스테인레스로 제작되어 내구성이 강하다.
★ 기계적 특성에 의해 조기에 스트리머를 방사함으로써 가격 대비
우수한 보호 효율을 자랑한다.
▶정전 분산형 피뢰침
★ 스테인리스로 제작되어 내구성이 강하다.
★ 대지전계강도와 임계 표면적의 포집능력을 응용한 이온 방사
★ 공기의 절연파괴 메커니즘을 응용한 CTS 방식의 피뢰침
★ 다량의 이온 방사로 주변 전계 밀도를 감소함으로써 뇌격이 칠 기회를
최소화시키는 증강 보호 개념의 설비
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