안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.
전기가 통하지 않는 절연체도 극도로 강한 전기장을 받으면 순간적으로 성질이 바뀌어 전기를 통하게 됩니다. 이를 방전 효과 또는 절연 파괴'고 부릅니다. 평소에는 부도체였던 매질이 플라스마 상태로 변하며 전하가 쏟아져 나오는 방전 효과의 원리와 발생 조건을 설명해 드릴게요.
자연 상태의 공기 중에는 우주선, 자연 방사선, 혹은 자외선 등에 의해 극소수의 자유 전자와 이온이 항상 떠돌고 있습니다. 양극(+)과 음극(-) 사이에 전압을 가하면 전기장이 형성되고, 이 전기장에 끌려 자유 전자가 음극에서 양극 쪽으로 매우 빠르게 가속됩니다. 가속된 전자가 이동 중 중성 상태의 기체 분자와 강력하게 충돌하면, 기체 분자 속에 묶여 있던 전자를 튕겨 내어 (양이온+전자) 형태로 쪼개버립니다. 충돌로 튕겨 나간 전자는 다시 전기장을 받아 가속되고, 또 다른 기체 분자들과 충돌하여 더 많은 전자를 튕겨 냅니다. 이 과정에서 수많은 기체 분자가 이온화되어 전도성을 띠는 플라스마 통로가 열리고, 순간적으로 대량의 전류가 흐르는 방전 현상이 완성됩니다.
방전이 일어나려면 매질의 절연 파괴 강도를 넘어서는 임계 전기장이 형성되어야 합니다. 또한 기체 압력과 전극 사이 거리의 곱이 적정 수준을 이뤄야 한다는 파셴의 법칙을 만족해야 하며, 전극 표면이 뾰족할수록 전기장이 집중되어 방전이 훨씬 쉽게 유도됩니다.