번개(lightning, thunderbolt), 벼락(thunderbolt), 천둥(thunder), 피뢰침(lightning rod)

                김진국

1. 구름의 생성과 비

 수증기를 가진 공기가 열에너지를 받아 주변의 공기보다 온도가 높아지면 부피가 더 많이 팽창한다. 주변 공기보다 더 많이 팽창한 공기는 밀도가 낮아져 가벼워지므로 위로 떠오르게 된다. 또 지상에서 높이 올라갈수록 기압이 점점 낮아지므로 상승하는 공기는 점점 더 팽창하게 된다. 처음에는 열에 의해 팽창되어 상승했지만 계속 상승하는 과정에는 열 유입이 차단된 상태에서 기압이 낮아져 팽창이 일어난다. 공기는 열을 받으면 팽창되는데 열을 받지 않고 팽창되면 온도가 내려간다. 이것을 단열 팽창이라 한다. 이 원리를 이용한 제품이 에어컨이나 냉장고이다.
공기가 계속 상승되면 기압이 낮아져 단열 팽창으로 공기의 온도도 점점 내려가 이슬점(수증기가 물방울로 변화되는 온도) 이하로 되면 수증기가 물방울로 응결되고, 더욱 상승하여 공기의 온도가 빙점(물방울이 얼음으로 변하는 온도) 이하로 내려가면 극히  작은 빙정(氷晶, 얼음 알갱이)이 생성된다. 이렇게 생성된 물방울이나 빙정이 하늘에 떠 있는 것이 구름이다.  빙정에 수증기가 승화하여 붙으면 빙정이 점점 커지게 되는데 이들의 중력이 상승력보다 커지게 되면 내려오게 된다. 이들 빙정이 하층의 따뜻한 공기층을 내려오는 중에 녹아 작은 물방울이 되고 이들 물방울이 서로 부딪혀 합쳐져서 큰 빗방울이 되어 떨어지는 것이다.

2. 번개(lightning, thunderbolt), 벼락(thunderbolt), 천둥(thunder)

 하늘이 적란운(cumulonimbus)으로 뒤 덥혀 소나기가 오거나 그친 뒤 번개(Lightning Impulse, 뇌 충격 전압)가 치고 벼락이 떨어지면 천둥이 울려 퍼진다.
이들의 원인은 명확하게 밝혀지지 않았지만 전기 방전으로 일어나는 현상이다. 1752년 미국의 밴자민 프랭클린(1706~1790, 독립선언서 기초, 정치가, 과학자, 건국의 아버지)이 번개가 전기 현상이라는 것을 처음으로 밝혔다.
 전기를 띠는 현상을 분극( 分極, polarization), 대전(帶電, electrification)이라 한다. 강하게 대전된 구름의 전하들은 절연체인 공기를 통과하여 다른 구름이나 지면으로 방전하게 되는 것이다. 공기는 일종의 절연체로 전기가 잘 흐르지 못한다. 그런데 강하게 대전된 구름이 다른 구름이나 땅에 접근하면 다른 구름과 땅은 정전기가 유도되어 다른 극의 전기를 강하게 띠게 된다.
대전된 이들 간에 높은 전압이 걸리면 대단히 많은 전하들이 절연체인 공기를 단시간에 통과하여 흐르게 되는 것이다. 이러한 방전현상이 대기 중에서 구름 간에 발생할 때 번개라고 하며, 구름과 지면 사이에 방전이 일어나는 경우를 낙뢰(落雷) 또는 벼락이라 한다. 벼락도 번개라고 한다. 이와 같이 벼락(낙뢰)이나 번개로 방전될 때 나는 소리를 천둥이라 한다.
번개가 칠 때 수억 볼트의 전압에 의해 절연체인 공기의 저항을 순간적으로 흐름에 따라 수만 도의 고온이 발생함에 따라 빛나는 것이다. 이때 공기는 수만 도의 고온과 수억 볼트의 전압에 의해 이온화되어 플라스마(plasma) 상태가 되었다가 다시 원상태로 돌아간다.
천둥은 구름의 전기가 공기 중에서 번개나 벼락으로 방전될 때 발생한 열에너지에 의해 공기의 온도가 순간적으로 수만도 이상으로 상승함에 따라 공기가 급격히 팽창(폭발)하여 주위의 공기를 진동시킨 것이다.
 번개를 본 후 얼마의 시간이 지나서 천둥이 들린다. 그 이유는 빛은 30만 km/sec의 빠른 속력으로 전파되고 소리는 340m/sec로 느린 속력으로 전파되는 속력 차이 때문이다.
 따라서 번개나 벼락이 발생한 위치를 알아내려면 번개를 관측한 후 천둥이 들릴 때까지의 간격의 시간을 측정해 소리의 속력(340m/s)을 곱하면 된다.  천둥은 약 20km까지 전파된다고 한다.
번개가 치는 속력이나 벼락이 떨어지는 속력(대기의 음전하가 지상의 양전하 쪽으로 흐르는 속력)을 뇌 속(雷速)이라 하는데 대기 상태에 따라 다르지만 초속 약 10만 km이다.
 벼락이 가진 에너지는 매우 크다. 뇌운(雷雲, thundercloud)이 접근하여 벼락이 치기 직전에 발생된 지표면의 유도 전기와 뇌운 사이의 전압은 약 1∼10억 V가 되며 전류도 수만 A(암페어)에 이른다.
번개로 방전할 때 발생하는 에너지에 의해 공기 중의 산소(O2)는 화학반응으로 오존(O3)으로 다량 생성되고 질소(N2)는 수소(H2)와 결합하여 암모나아(NH3)를 다량 생성하게 된다.

3. 뇌운(적란운)에서 일어나는 대전(분극 작용)

지상에서 고도가 높아질수록 기압이 낮아지고 이에 따라 대기의 단열 팽창으로 기온은 점점 낮아진다.
구름은 응결 고도(이슬점) 보다 높은 위치에서는 과냉각 수증기와 물방울 상태로 존재하고 더 높은 고도인 빙점 고도(어는점) 보다 높은 위치에서는 빙정(얼음 알갱이)과 과냉각 물방울 상태로 존재한다. 수직으로 발달하는 적란운은 대류권계면까지도 발달한다. 적란운의 상당 부분은 빙점 고도 이상으로 올라가므로 상부는 빙정(얼음 알갱이)이 생성된다.
빙정은 속의 온도가 표면온도보다 높은 온도 경사를 이룬다. 이에 따라 빙정에서는 온도 경사로 인해 나타나는 열전 효과(thermoelectric effect)가 발생한다. 빙정에서는 열전 효과로 인하여 음전하가 온도가 높은 속으로 이동하므로 빙정 내부는 음전하로 대전되고 표면에는 양전하로 대전된다.
빙정이 상승기류에 의해 더 높이 상승하게 되면 빙정의 온도는 더 낮아지게 된다. 빙정의 표면온도가 속보다 더 빨리 낮아지면 표면이 속보다 더 많이 팽창하게 되므로 빙정 표면은 깨져 양전하를 띤 수많은 작은 빙정을 만들게 된다. 양전하를 띤 작은 빙정은 상승 기류에 의하여 구름의 상부로 이동되고, 음전하를 띤 큰 빙정들은 구름의 하부 쪽으로 낙하함으로써 구름 상부는 양전하로 대전되고 하부는ㅠ음전하로 대전된다.
음전하로 대전된 하부의 아래층은 위층에 유도되어 양전하로 대전된다.
이렇게 번개, 벼락을 일으키는 대전된 구름을 뇌운(雷雲)이라 한다.

4. 뾰족한 곳에 전하가 모이는 이유

한 덩어리로 된 도체 표면의 전위(전압)는 등전위로 같다.
표면의 모양이 다양한 한 덩어리의 도체에서 뾰족한 곳에 전하가 많이 모이는 이유를 알아보기 위해서는 이론 적용이 가능한 구(공 모양)를 모형으로 사용하여 설명한다.
크기가 다른 두 개의 도체인 구를 도체로 연결하여 대전시키면 두 개의 구는 전위가 같은  등전위가 된다. 대전된 두 구를 분리해도 등전위가 된다.
도체인 두 구가 하나로 연결되어 등전위가 되었을 때 구의 속은 전하가 존재하지 않고 표면에만 전하가 존재하며 두 구가 가지는 전하의 양은 반지름에 비례해서 큰 구가 더 많은 전하량을 가진다.
예를 들면 반지름이 2배이면 전하량도 2배가 된다.
이때 큰 구의 겉넓이(4πr²)는 4배가 된다. 겉넓이는 4배로 증가되고 전하량은 2배로 증가되므로 큰 구는 면적에 비해 적은 양의 전하가 대전되는 것이다.
이것은 등전위인 평면에서는 각 전하 사이에 표면의 수평방향인 척력이 같은 크기로 작용하여야 하고 구도 등전위가 되기 위해서는 각 전하 사이에 작용하는 척력이 같아야 한다. 그런데 구에서 각 전하 사이에 작용하는 척력은 구의 접선과 같은  수평방향의 분력이 아니고 이보다 큰 각의 분력으로 작용한다. 그래서 구 표면의 각 전하 사이에 작용하는 척력은 평면 표면의 각 전하 사이에 작용하는 척력보다 작다. 이런 원리로 곡률반경이 작은 구에 있는 전하는 곡률반경이 큰 구에 있는 전하보다 표면에 작용하는 척력이 작아 전하가 더 가까이 있어야 같은 크기의 척력이 되는 것이다.
이와 같이 한 덩어리로 붙어 있는 등전위라면 곡률반경이 작은 구가 큰 구보다 전하밀도가 높다는 것이다.
뾰족한 곳은 곡률 반경이 작은 구에 해당하고 평판한 곳은 곡률 반경이 큰 구에 해당하므로 뾰족한 곳에  전하가 많이 모이는 것이다.

5. 피뢰침(避雷針, lightning rod)의  원리

밴자민 프랭클린(1706~1790)은 번개가 치는 날 연을 날려 번개가 전기 현상의 일종이라는 것을 밝히는 실험을 했다. 그는 운이 좋아 살아남았지만, 다른 과학자가 동일한 실험을 되풀이하다가 벼락에 맞아 죽었다고 한다. 벼락은 연과 같이 지면에서 돌출된 곳으로 내려치기 때문에 번개 치는 날 언덕이나 높은 나무 아래에 있는 것은 대단히 위험하다. 돌출된 만큼 대전된 구름과 거리가 가깝게 되어 저항이 작아지고 평지보다 전기가 많이 모이므로 방전이 더 잘 되기 때문이다. 피뢰침은 뾰족한 도체를 높이 세우고 전선으로 지면과 연결한 것이다. (-)로 대전된 구름이 가까이 오면 피뢰침의  뾰족한 부분에 (+) 전하가 많이 모이게 되고 공기와 접촉함에 따라 일부 전하가 공기 중으로 방전되므로 구름과 피뢰침 사이의 전위차가 줄어들게 되어 벼락의 세기가 약해진다. 피뢰침은 높은 곳에 위치하여 주위의 물체들보다 대전된 구름과의 거리가 짧기 때문에 그들 사이의 저항은 상대적으로 작다. 또 피뢰침에 전하가 주위보다 많이 존재하여 대전된 구름과의 전위차는 크다. 이런 이유로 대전된 구름과 피뢰침 사이에 방전이 일어나기 쉬운 것이다. 그래서 벼락은 피뢰침을 치게 되는 것이다. 이때 피뢰침으로 유입된 강한 전류는 전선을 타고 넓디넓은 지구에 흘러 퍼지게 되는 것이다(earth). 벼락을 맞은 피뢰침이 간혹 부서지기도 하겠지만 사람이나 건물은 피해를 방지할 수 있는 것이다.
피뢰침으로 보호받을 수 있는 범위는 피뢰침 끝에서 피뢰침대와 이루는 각이 사방 60도 이내의 하부지역이다.
그래서 피뢰침은 높게 설치하여야 넓은 지역을 보호할 수 있다.
피뢰침은 전류를 잘 통하는 뾰족한 금속으로 벼락의 전류를 잘 받아들이고 연결선을 굵은 것을 사용하여 저항을 줄여야 강한 전류를 흐를 수 있게 하며 연결선에  넓은 구리판을 연결하여 땅속 깊이 습한 곳에 묻어야 흘러 들어온 전기가 지하로 잘 흘러 안전하게 된다.

번개(lightning,thunderbolt), 벼락(thunderbolt), 천둥(thunder),피뢰침.hwp

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