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| Y형 피뢰침의 모습 |
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1. 개요
避雷針, lightning rod번개를 피하기 위해 발명된 철제 막대.
제20조(피뢰설비) 영 제87조제2항에 따라 낙뢰의 우려가 있는 건축물, 높이 20미터이상의 건축물 또는 영 제118조제1항에 따른 공작물로서 높이 20미터 이상의 공작물에는 다음 각 호의 기준에 적합하게 피뢰설비를 설치하여야 한다.
<국토교통부령 제704호, 2020. 3. 2.>
<국토교통부령 제704호, 2020. 3. 2.>
2. 원리
피뢰침은 벤저민 프랭클린이 연으로 실험하면서 번개가 높은 곳에 먼저 떨어지며 그 전류를 흐르게 할 수 있다는 것을 알아내고 발명했다. 피뢰침에 번개가 떨어지면 피뢰침과 연결된 선에 의해 지상으로 전기가 분산되어 건물에 가는 피해가 줄어드는 원리로 작동한다.[1] 건물의 경우는 일반적으로 건물 기초에 설치된 접지 전극에 피뢰침을 연결하여 벼락을 지상으로 흘려보내는 방식으로 동작한다. 한 마디로 말해서 번개를 대신 맞아주는 것. 번개로부터 피뢰침이 보호하는 범위는 피뢰침의 성능에 따라 달라지지만, 일반적으로는 피뢰침을 기준으로 45도 각도의 범위이다.(국립중앙과학관 사이트) 피뢰침의 높이가 높을 수록 보호 범위도 더 넓어진다.피뢰침이 뾰족한 것은 전기의 특성 때문이다. 예컨대 반지름이 서로 다른 두 금속 구체를 전선으로 연결하여 대전시키면 두 금속 도체는 표면의 전위가 같아진다. 전위가 같으면 더이상 전하가 이동하지 않는 평형상태가 된다.
[math( \displaystyle \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{Q_{1}}{r_{1}}=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \frac{Q_{2}}{r_{2}} )]
[math( \displaystyle Q=4 \pi r^2\sigma )]
[math( \displaystyle \frac{r_1\sigma_1}{\varepsilon_{0}} =\frac{r_2\sigma_2}{\varepsilon_{0}})]
그렇게 전위가 같아지면 결과적으로, 반지름이 작은 구체가 면전하밀도가 더 크도록 전하가 배분된 상태가 된다.
같은 이유로, 도체 표면에서는 곡률반경이 작은 표면, 곧 뾰족한 표면에 전하가 집중된다. 피뢰침은 낙뢰를 끌어들이는 것이 목적이므로 지면이 대전될 때 더 많은 전하가 피뢰침 끝에 집중되도록 끝을 뾰족하게 만드는 것이다. 피뢰침 발명 초기엔 영국인들은 '왕에게 반역한 역적'[2]이 만든 피뢰침이 싫다고 '끝이 둥근 피뢰침'을 고집하다가 결국 뾰족한 것으로 바꿨다. 그런데 2000년도에 조사한 바에 따르면 뾰족한 피뢰침은 지나치게 좁은 영역에 전하가 집중되어 있어 피뢰침이 커버할 수 있는 반경이 너무 좁다는 결과가 나와 미국에선 도로 둥근 피뢰침을 쓴다고 한다.
3. 피뢰침의 종류
요즘 나오는 피뢰침은 종류가 엄청나게 많은데, 위 사진과 같이 생긴 아무것도 안하는 수동식 피뢰침부터 주변에 초 대량의 전하를 이용해 보호막을 형성, 번개가 형성될 때 초기의 이온화 과정이 보호막이 있는 곳에서 발생하지 못하도록 하는 제품군도 있다. 이 때 보호막이 가지는 전위는 대지의 대전전압과 절대값만 동일, 극성은 다르다. 즉 번개가 발생하기 전 전도경로를 형성하는 것을 막아버리는 구조로 작동한다. 단, 보기의 보호막을 형성하는 제품군은 자기가 보호하는 영역 외에는 신경을 쓰지 않으므로, 전도경로가 밀려나 이상한 곳으로 번개가 떨어진다는 단점이 있어 광역피뢰침, 혹은 능동 유도식 피뢰침과 같이 쓰인다.전봇대에도 피뢰 역할을 하는 선이 가설되어 있는데 가공지선 참조.
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| ESE 계열 - 수동형 - 다중 케퍼시터 지연 스트리머 |
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| ESE 계열 - 수동형 - 후향 이온방사형 정극성 |
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| ESE 계열 - 능동형(무전원) - 고압펄스식 전향 스트리머 |
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| ESE 계열 - 능동형(무전원) - 고압펄스식 전형 스트리머 |
ESE 계열은 번개보다 더 빠른 속도로 스트리머를 발사하는 피뢰침을 의미한다. 그리고 뇌운이 피뢰침이 있는 곳 바로 위에 오면 급격하게 대지전하의 충전방향이 바뀌는데, 이것을 감지하여 뇌운이 발생될 때 부터 충전해온 전하를 최적의 시기에 지상의 다른 구조물보다 빨리 쏘아올려 뇌운을 조기에 방전시킨다. 이 때 방전된 전류는 임계값에 도달하지 않았던 주변 전체의 전하를 끌어다 한번에 방전시키므로 상당히 높은 전류가 되며 이를 대비해 일반 피뢰침에 대해 좀 더 굵은 접지선과 낮은 접지저항이 요구된다.
구조적인 방법을 이용해 전자부품 없이 기계장치로만 구성된 것을 수동형 광역피뢰침, 전자 소자를 이용해 작동하는 것은 능동형 광역피뢰침이라 하며 능동형 제품중에는 외부로부터 전원을 공급받는지 아니면 뇌운과 대지 사이의 대전전압을 사용해 작동하는 수동형으로 구분된다.
ESE계 피뢰침에서 가장 중요한 것은 최초 전향 스트리머가 몇 번 발사되는지, 최고 대전값에서 동일 높이의 전도체보다 얼마나 더 빨리 전향 스트리머를 뇌운에 발사하는지이며, 이 수치가 크면 클수록 가격이 매우 상승한다.
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| CTS 계열 - 수동형 |
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| CTS 계열 - 능동형 - 다중충전 초고속 방전 |
CTS 계열은 대전된 대지전하를 주변으로 고속 방전하는 원리로 작동한다. 고속 방전을 위해 여러개의 대전판과 확산판을 가지는데, 뇌운의 전압을 반영하는 대전판을 대지와 연결된 대전판과 교차로 연결, 전위차를 높여서 대전판으로부터 대량의 전하가 대기중에 고속 확산되도록 한다. 뇌운측 전압을 반영하는 판은 방전이 잘 안되게 되어있지만 대지측 대전판은 방전이 아주 잘되라고 미세 브러쉬가 달려있기도 하다. 이러한 구성을 사용하여 피뢰침 인근에 피뢰침을 중심으로 역 이차방정식 모양을 삼차원으로 그려낸 우산 모양의 전하막이 형성된다. 이 전하막은 뇌운으로 부터 발생된 하향 스트리머가 인근에 도달하였을 때 자신에게 닿은 하향 스트리머를 고속으로 중화하여 전하막 아래의 구조물로부터 스트리머의 연결을 방지한다. 이 스트리머의 연결을 방해함으로서 낙뢰를 방호하게 되는 것이다.
대지 전하를 얼마나 수평으로 잘 확산시키는지, 전하를 얼마나 많이 확산시키는지가 성능의 지표이며, 역시 확산판이 많고 브러쉬가 많을수록 비싸진다.
이 외에도 종류가 엄청나게 많아진 관계로 사용처에 따라 적절하게 혼합하여야 안전하고 효율적으로 사용할 수 있다.
4. 사용상 주의
피뢰침을 들고 여기저기 설치고 다니면 절대 안 된다. 되려 벼락 맞아 죽을 수 있다. 피뢰침은 번개를 막아 주는 물건이 아니라 번개를 대신 맞도록 만들어진 물건이다. 비슷한 원리로 번개 치는 날에 사방이 탁 트인 18홀 골프장에서 우산이나 골프채를 들고 활보하다가는, 인간 피뢰침이 될 확률이 매우 높다. 따라서 뇌우가 심한 날, 또는 마른 하늘에 날벼락이 내리꽂거나 하는 일이 있으면 골프장은 일반적으로 문을 닫는다. 암만 골프가 좋아도 비 내린다는데 물에 빠진 생쥐 꼴이 되어가면서까지 골프 치고 싶어하는 손님도 없거니와, 무엇보다도 골프채 들고 다니면 번개 맞을 확률이 매우 높아지니까.실제로 1753년 러시아에서 게오르크 빌헬름 리히만[3]이 피뢰침을 들고 실험을 하다가 번개에 맞아 즉사한 사고가 벌어졌다. 조수 역할을 하던 하인의 증언에 의하면 그야말로 눈 깜짝할 사이에 뭐가 번쩍 하더니 리히만은 간데없고 웬 큼지막한 숯덩이가 바닥에 널브러져 있더란다. 이 덕분에 역사상 최초로 전기에 관련된 실험을 하다 죽은 사람이 되었다. 위키피디아에도 실려있는 내용이다.
안전 범위는 KS C IEC 62305에 따라 (건조물의 중요도에 따른) 보호등급 및 설치된 높이에 따라 정해진다. 현재의 60미터 이하 높이를 가진 건축물은 건물의 보호등급이 정해지면 회전구체법에 따라 피뢰침을 설치하는데, 기본적인 4등급의 경우 반지름 60미터인 구체를 (피뢰침이 닿지 않도록) 굴려 구체가 접촉하지 않는 부분이 안전지대. 이것보다 예전에는 각도법이라고 해서 피뢰침에서 좌우로 60도(혹은 45도)를 안전지대로 보고 설계했다. 그래서 안전지역은 피뢰침이 설치된 건물 내부나 근처 정도라고 알면 된다. 60미터 이상의 건조물은 별도의 기준이 있다.
5. 기타
18세기 경에는 커다란 건물 외에도 우산 같은 작은 물건에 부착한 것도 존재했다. 물론 피뢰침의 원리상 이런 활용은 오히려 더 위험하므로(...) 따라하지 말도록 하자.피뢰침에는 반드시 지면 깊숙히까지 접지된 전선이 장착되어야 한다. 안 그러면 번개를 맞을 시 전기가 엉뚱한 곳으로 흘러 감전되거나 화재가 발생한다.
피뢰침이 처음으로 발명되었을 당시 청교도 상당수는 번개를 신이 악인 내지는 인간에게 내리는 천벌, 즉 신의 섭리라고 생각해 피뢰침을 거부, 지붕에 피뢰침을 달지 않았다. 프랭클린이 유독 교회에 낙뢰가 많이 떨어진다는 경고를 했는데도 불구하고 말이다. 다른 건물보다 높고, 꼭대기에 십자가나 종 같은 금속이 있으니 번개가 떨어지기 딱 좋은 조건이기 때문이다. 요즘은 교회에도 단다. 대부분 십자가 옆에 피뢰침을 길게 세우지만 설치비 절감 차원에서인지 십자가 꼭대기에 피뢰침을 설치하는 경우도 종종 있다. 그래서 인터넷 짤방 중 교회 십자가가 번개에 맞는 짤방이 유머 코드로 돌아다니기도 했다. 실제로 교황 베네딕토 16세가 퇴위 발표를 한 직후 성 베드로 대성당 중앙돔에 벼락이 치는 장면이 촬영되어 화제가 되었다.
증권가에서는 급격히 상승했다가 하락하는 차트를 보고 피뢰침이라고 빗대어 부른다.
오늘날에는 270여년간 사용된 피뢰침에서 더 발전하여, 레이저로 공기를 이온화시켜 방전을 유도하는 레이저 피뢰침##도 개발되었다.
[1] 자동차 중에서는 뒤쪽 범퍼 안쪽에 지면과 살며시 맞닿는 선이 늘어져있는 차량을 볼 수 있는데, 피뢰침의 전선과 같은 역할이라고 보면 된다. 누전되는 잔여 전류를 지면으로 방류시키는 사고 예방 장치인 것.[2] 프랭클린은 미국의 '건국의 아버지들(The Founding Fathers)' 중 1명으로 꼽힐 정도로 미국의 독립에 매우 중요한 역할을 하였다.[3] Georg Wilhelm Richmann (Георг Вильгельм Рихман, 1711 ~ 1753). 벼락 맞아 죽은 것으로 유명한 발트 독일인 물리학자. 당대 상트페테르부르크에선 나름 이름난 학자였다.