벼락이 칠 때 피뢰침이 건물을 보호하는 원리를 피뢰침 끝에 전하가 집중되어 번개를 안전하게 유도한 뒤 땅속으로 방전시키는 작용으로 설명해 주세요.

Question

벼락이 칠 때 피뢰침이 건물을 보호하는 원리를 피뢰침 끝에 전하가 집중되어 번개를 안전하게 유도한 뒤 땅속으로 방전시키는 작용으로 설명해 주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

피뢰침은 뾰족한 끝 부분에 전하를 집중시켜 벼락을 안전하게 유도한 뒤, 강력한 낙뢰 전류를 도선과 접지극을 통해 땅속으로 빠르게 방전시켜 건물을 보호하는 역할을 합니다.

먹구름 하부에 음전하(-)가 대량으로 쌓이게 되면 지상의 건물과 피뢰침 표면에는 반대 전하인 양전하(+)가 유도되고 작고 뾰족한 부분일수록 전하 밀도와 전기장이 매우 강하게 형성되기 때문에 평평한 지붕보다 뾰족한 피뢰침 끝에 유도 전하가 집중적으로 모입니다. 피뢰침 끝에 모인 전하 밀도는 주변 공기 분자를 이온화시켜 전기가 통하기 쉬운 플라스마 통로를 만들어 내어 벼락이 예측 불가능하게 건물의 다른 곳으로 떨어지는 대신, 전기 저항이 가장 낮은 피뢰침 끝으로 떨어지도록 안전하게 길을 터줍니다.

이렇게 피뢰침에서 흡수한 수억 볼트의 전기 에너지는 건물 외벽을 따라 설치된 굵은 구리 피뢰도선을 통해 땅속 깊이 묻힌 금속 접지극으로 흘러가 거대한 전류가 건물의 구조물이나 가전제품에 피해를 주지 않고 땅 속에서 소멸됩니다.

Answer 2

안녕하세요. 벼락이 칠 때 피뢰침이 건물을 보호하는 원리는 피뢰침에 전하가 집중되는 현상과 전류가 안전한 경로를 따라 땅으로 흘러가도록 하는 구조로 설명할 수 있습니다. 번개는 구름과 지표면 사이에 매우 큰 전위차가 발생하면서 만들어지는데, 구름 속에서 전하가 분리되면 지표면에도 반대 전하가 유도되어 강한 전기장이 형성됩니다. 이때 건물처럼 높은 구조물의 뾰족한 부분에서는 전기장이 더욱 강해지는 끝부분 효과가 나타납니다.

피뢰침은 일반적으로 건물보다 높은 위치에 설치하고 끝을 뾰족하게 만들어 이러한 전기장이 피뢰침 주변에 집중되도록 합니다. 정확히 말하면 피뢰침이 번개를 마치 자석처럼 끌어당긴다기보다는, 피뢰침 주변에서 강한 전기장이 형성되어 번개 방전이 발생할 경우 건물의 다른 부분보다 피뢰침이 방전 경로가 될 가능성을 높이는 것입니다. 또한 강한 전기장에서는 공기가 이온화되면서 전기가 흐를 수 있는 통로가 만들어지기 쉬워집니다. 만약 낙뢰가 피뢰침에 도달하면 엄청난 전류가 피뢰침을 통해 흐르게 된느데요, 이때 중요한 것이 피뢰침과 연결된 도선과 접지 시스템입니다. 피뢰침은 굵고 전기적으로 잘 연결된 도선을 통해 건물 아래의 접지극과 연결되어 있기 때문에, 낙뢰 전류가 건물의 벽이나 전기 설비 등을 통과하지 않고 비교적 안전하고 낮은 임피던스의 경로를 따라 지면으로 흘러가도록 유도합니다. 이후 전류는 접지극을 통해 넓은 영역의 땅으로 퍼져 나갑니다.

따라서 피뢰침의 역할은 낙뢰가 발생했을 때 전류가 건물 자체를 통과하지 않도록 의도적으로 안전한 방전 경로를 제공하는 장치라고 보시면 됩니다. 피뢰침 끝에 전하가 집중되는 현상은 번개가 피뢰침 주변에서 방전되도록 하는 데 도움을 주고, 피뢰침과 접지 시스템은 발생한 거대한 전류를 땅으로 흘려보내 건물의 손상을 줄여주는 것입니다. 다만 피뢰침이 있다고 해서 건물에 절대로 낙뢰가 발생하지 않는 것은 아닌데요, 피뢰침의 가장 중요한 목적은 낙뢰 자체를 완전히 없애는 것이 아니라, 낙뢰가 발생했을 때 전류가 건물의 구조물이나 사람이 있는 공간을 통과하면서 화재나 전기적 손상을 일으킬 위험을 줄이는 것입니다. 감사합니다.