번개의 정체를 밝히기 위한 실험

번개에 대한 의문

번개가 치면 큰소리와 함께 날카로운 빛의 줄기가 하늘을 찢는 것처럼 보입니다. 고대 사람들은 번개가 구름 속에 있는 신이 빛과 소리를 내고 있다고 생각했습니다. 그리스 신화의 제우스는 올림포스의 주신이자, 하늘을 관장하며 번개를 무기로 사용하였습니다. 번개의 정체는 18세기 중반에와서 전기일 것으로 예상되었습니다. 번개 정체를 처음으로 실험으로 확인한 것은 미국의 정치가이자 과학자인 밴저민 프랭클린입니다. 프랭클린은 정전기의 실험에 사용되고 있던 라이덴병에 축전하면, 전기 불꽃이 발생하는 것을 보고, 이 전기 불꽃과 번개는 같은 것이 아닐까 생각했습니다. 라이덴병은 1745년에 네덜란드의 라이덴 대학의 물리학자 피에터 반 뮈스헨브룩(Pieter van Musschenbroek)이 발명한 축전장치입니다. 실제로는 몇 달 정도 전에 독일의 에발트 게오르그 폰 클라이스트(Ewald Georg von Kleist)도 같은 구조의 것을 발명하고 있습니다. 라이덴병 상단의 금속 구에 정전기를 띤 것을 데면 아래의 금속박에 전기가 축적됩니다. 전기가 축적된 상태에서 내측과 외측의 금속박을 단락(쇼트)하면 라이덴병 안에서 방전이 일어나 전기 불꽃이 발생합니다.

프랭클린 연 실험

1752년 6월 프랭클린은 번개의 정체를 조사하기 위해 자신의 아들과 함께 뇌운을 찾아 연 실험을 실시했습니다. 그는 연에 철사를 붙이고 물에 젖기 쉬운 마로 된 실로 연결하였습니다. 그리고 마로 된 실에 다시 금속 열쇠를 설치했습니다. 금속 열쇠로부터는 다시 감전 방지를 위해 젖기 어려운 실크를 사용하여, 실크로 된 실을 손으로 잡았습니다. 번개로 마로 된 실이 대전되었을 때, 그는 아들에게 금속 열쇠 앞에 라이덴병을 가까이 붙여 달라고 말했습니다. 아들이 들고 있던 라이덴병이 열쇠에 가까워지자 번개의 전기가 라이덴병에 축전되어 갔습니다. 그리고 라이덴병을 단락시키면 라이덴병에서 전기 스파크가 발생했습니다. 일순간의 사건이었지만, 천둥의 정체가 전기인 것이 확인된 순간이었습니다.

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뇌운이 발생하는 구조

하늘에 떠있는 구름은 미세한 물방울과 얼음 알갱이로 만들어집니다. 이 물방울과 얼음 알갱이는 지상과 해상에서 증발한 물 입니다. 공기는 기온이 높을수록 수증기를 많이 포함할 수 있습니다. 따뜻한 공기는 가볍기 때문에 상공으로 올라갑니다만, 상공은 기압이 낮기 때문에 팽창합니다. 이 때 공기는 ​​외부로부터 열을 받지 않는 상태로 팽창합니다. 공기 자체가 가진 열이 팽창에 사용되기 때문에 공기의 온도가 떨어집니다. 공기에 포함된 수증기는 냉각되면 기체 그대로는 존재할 수 없게 되어, 응결하여 미세한 물방울이나 얼음의 알갱이가 됩니다. 이것이 구름의 정체입니다. 번개가 잘 일어나는 것은 여름에 하늘 높이까지 발달한 적란운 속 입니다. 적란운 속에서는 강한 상승 기류로 인해 얼음이 격렬하게 충돌합니다. 이 때 얼음 표면의 물이나 충돌로 인해 녹은 물은 음의 전하를 갖고, 낮은 온도로 인하여 다른 얼음에 붙어 결합합니다. 그러므로 큰 얼음 알갱이가 음극이고 작은 알갱이가 양극을 띠게됩니다. 작은 알갱이는는 가볍기 때문에 구름 위쪽으로, 큰 알갱이는 무겁기 때문에 구름 아래쪽으로 이동합니다. 그 결과 뇌운은 상하로 플러스와 마이너스가 마주보는 형태가 되어, 거기에 높은 전압이 걸리게되는 것 입니다. 또한 뇌운이 대지에 가까워지면 그 아래의 지면은 플러스로 대전해 갑니다. 이것을 정전기 유도라고 합니다. 뇌운이 발생하면 구름에 정전기가 쌓입니다. 이 정전기가 구름과 지상 사이의 대기의 절연성으로 견딜 수 없을 정도로 커지면, 구름에서 지상으로 뇌방전이 일어납니다. 이것은 낙뢰입니다. 또한 방전은 낙뢰보다 구름 안에서 더 자주 발생합니다. 이때 구름이 푸르게 빛나는 것처럼 보입니다. 하나의 뇌운 속에서 일어나는 경우를 운내 방전, 복수의 뇌운 사이에서 일어나는 경우를 운간 방전이라고 합니다.

번개가 빛나는 방식

내부를 진공으로 한 라이덴병으로 방전의 실험을 실시하면, 전기 불꽃이 생기지 않게 됩니다. 즉, 전기 불꽃의 발생에는 공기가 관련되어 있습니다. 본래 공기는 절연체로 전류가 흐르지 않습니다. 그러나 강한 전압을 가하면 순간적으로 전기 절연성이 손실되어 대전류가 흐릅니다. 그러면 큰 에너지를 가진 전자가 공기 중의 질소와 산소에 충돌합니다. 질소와 산소는 전자의 에너지를 받아 자신도 전자를 방출하여, 이온화하여 고에너지 상태가 됩니다. 고에너지 상태가 된 질소와 산소는 즉시 원래 에너지 상태로 돌아갑니다. 이때 여분의 에너지가 빛이 되어 나오는 것입니다. 이것을 방전 현상이라고 합니다만, 번개의 빛도 이것과 같은 현상입니다. 또한 방전이 일어나면 불꽃 주변의 온도가 급격히 상승하여 공기가 순간적으로 팽창합니다. 그리고 팽창한 공기는 즉시 식기 때문에 수축합니다. 이 공기의 팽창과 수축이 진동이 되어 소리가 됩니다. 번개 방전은 대기의 절연성으로 인해 땅에 닿지 않습니다. 때문에 여러 번 작은 방전을 반복하여 전기의 길을 만들면서 지면으로 접근합니다. 번개가 지그재그처럼 보이는 이유입니다. 이것을 선구 방전이라고합니다. 번개가 땅에 도착하면 이번에는 반대로 땅에서 구름으로 방전이 발생합니다. 이것을 귀환 뇌격이라고 하며, 이때 강한 빛과 큰 소리를 냅니다. 이것이 낙뢰입니다.