피뢰침(避雷針, lightning rod)은 번개를 피하기 위해 발명된 철제 막대기다.
1 설명
피뢰침은 벤저민 프랭클린이 연으로 실험하면서 번개가 높은 곳에 먼저 떨어지며 그 전류를 흐르게 할 수 있다는 것을 알아내고 발명했다고 한다. 여담이지만 피뢰침 발명 초기엔 영국인들은 왕께 반역질한 역적놈이 만든 피뢰침이 싫다고 끝이 둥근 피뢰침을 고집하다가 결국 뾰족한 것으로 바꿨다.
피뢰침이 뾰족한 것은 전기의 특성 때문이다. 예컨대 반지름이 서로 다른 두 금속 구체를 전선으로 연결하여 대전시키면 반지름이 작은 구체가 면전하밀도가 더 크도록 전하가 배분된다. 이렇게 해야 표면의 전위가 같아지기 때문이다.(전위가 같으면 더이상 전하가 이동하지 않는 평형상태가 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.
번개를 막는다고 해서 피뢰침이 보호막을 생성하는건 아니고, 피뢰침에 번개가 떨어지면 피뢰침과 연결된 선에 의해 지상으로 전기가 분산되어 건물에 가는 피해가 줄어드는 원리로 작동한다. 건물의 경우는 일반적으로 건물 기초에 설치된 접지 전극에 연결하여 벼락을 지상으로 흘려보내는 방식으로 동작한다. 한 마디로 말해서 번개를 대신 맞아주는 것. 게임으로 치면 번개의 데미지를 막는게 아니라 번개의 어그로를 끌어(...) 자신의 맷집(??)으로 버티는 탱커인 셈이다.
2 피뢰침의 종류
요즘 나오는 피뢰침은 종류가 엄청나게 많은데, 위 사진과 같이 생긴 아무것도 안하는 수동식 피뢰침부터 주변에 초 대량의 전하를 이용해 레알 보호막을 형성[1], 번개가 형성될 때 초기의 이온화 과정이 보호막이 있는 곳에서 발생하지 못하도록 하는 제품군도 있다. [2]
전봇대에도 피뢰 역할을 하는 선이 가설되어 있는데 가중지선 참조.
ESE 계열 - 수동형 - 다중 케퍼시터 지연 스트리머
ESE 계열 - 수동형 - 후향 이온방사형 정극성
ESE 계열 - 능동형(무전원) - 고압펄스식 전향 스트리머
ESE 계열 - 능동형(무전원) - 고압펄스식 전형 스트리머
ESE 계열은 번개보다 더 빠른 속도로 스트리머를 발사하는 피뢰침을 의미한다. 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.
CTS 계열 - 수동형
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 적절 하게 혼합하여야 안전하고 효율적으로 사용할 수 있다.
3 사용상 주의
번개를 피한답시고 피뢰침을 들거나 휴대하고 다니면 절대 안 된다. 오히려 벼락에 아주 잘 맞는다! 에초에 피뢰침이 번개를 대신 맞아주라고 만들어진 물건이니. 비슷한 원리로 번개가 칠 때 우산이나 골프채를 들고 다닌다면... 인간 피뢰침이 될 확률이 매우 높다. 따라서 번개나 벼락이 칠 경우, 굳이 비가 오지 않아도 골프장은 문을 닫는다. 물론, 비가 온다면 비를 맞아가면서 골프를 할 수도 없고, 무엇보다 골프채 들고 다니면 번개 맞을 확률이 매우 높아지니까.
실제로 1754년 러시아의 독일인 유대계 과학자 게오르크 리치만이 피뢰침에 대한 실험을 하다가 피뢰침을 들고 있던 도중에 조수를 겸하며 근처에 있던 하인 앞에서 제대로 번개에 맞아 즉사한 사고가 벌어졌다. 이 하인의 증언에 의하면 그야말로 눈깜짝할 사이에 뭔가가 번쩍이더니 주인은 온데간데 없고 왠 시커먼 잿덩어리가 바닥에 쓰러져 있더란다(...). 여하튼 이 덕분에 역사상 최초로 전기에 관련된 실험을 하다 죽은 사람이 되었다고 한다(...) 위키피디아에도 실려있는 내용이다.
안전범위는 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.
4 기타
현대에는 건물, 선박, 비행기 같은 커다란 구조물 외에도 우산 같은 작은 물건에 부착한것도 존재한다. 우산의 경우는 지면까지 닿는 별도의 선이 달린 물건과, 그냥 피뢰침만 달린 것이 있는데, 전자의 경우는 이론상 안전하지만 의외로 감전되기 딱 좋으며, 후자의 경우에는 평소에 쓰다가 번개가 접근한다 싶으면 확 던지고 반대 방향으로 달리는 물건이다. 단, 번개보다 빠르게 움직여야 한다!
참고로, 피뢰침에는 반드시 지면 깊숙히까지 접지된 전선이 장착되어야 한다. 안 그러면 번개를 맞을 시 전기가 엉뚱한 곳으로 흘러 감전되거나 화재가 발생한다.
여담으로 피뢰침이 처음으로 발명되었을 당시 청교도 사람들은 번개를 신이 악인 내지는 인간에게 내리는 천벌, 즉 신의 섭리라고 생각해 피뢰침을 거부, 지붕에 피뢰침을 달지 않았다고 한다.