정전기의 유도 및 축적

정전기는 전하의 생성이 소멸보다 빠르게 이루어질 때 축적되며, 생성된 전하는 중성상태로 돌아가려고 하는 경향이 있다.

정전기 유도 및 축적에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

정전기의 유도 및 축적

정전기의 유도

하나의 대전체가 절연물체에 접근하면 절연체에도 정전기가 유도된다.

대전체와 가까운 곳에는 대전체와 반대 극성의 전하가 유도되고, 먼 곳에는 동일 극성의 전하가 유도된다. 유도된 물체의 먼 곳을 접지시키면 대전체와 동일한 전하는 소멸되며, 접지를 제거한 후 대전체를 제거하면 유도된 물체에는 대전체와 반대 극성인 전하만 남는다.

 

<그림 1> 정전기 유도

 

정전유도의 크기는 전계에 비례하고 대전체로부터의 거리에 반비례하며, 도체의 형상에 의해서도 영향을 받는데, 이는 유도대전을 일으켜 각종 장․재해의 원인이 되기도 하며, 이 원리를 이용하여 대전전위, 전하량 등을 측정하기도 한다.

 

 

정전기의 축적

정전기는 지면이나 기타 다른 물체로부터 절연되어 있을 경우 축적된다.

절연저항이 1 MΩ 이상이면 정전기가 축적되며, 전기 전도도가 10,000 pS/m 이하인 경우 석유류 제품에 생성된 정전기가 축적된다. 전기 전도도가 10,000 pS/m 이상인 경우 정전기의 생성과 동시에 재결합하므로 축적되지 않는다.

 

다음 그림은 전하 축적의 여러 사례이다.

<그림 2> 전하 축적의 예

 

 

액체의 정전기의 완화

1. 영전위 소요시간

액체에 생성된 정전기는 주위에 반대극성의 전하가 있을 경우 상호 상쇄작용에 의하여 소멸한다.

 

전하의 완전소멸시간(T)은 액체의 전도도에 따라 다음 식으로 나타낼 수 있다.

T= 18 / 전도도

여기서, T : 소요시간(초)

            전도도 : pS/m (1 S/m = 10^12 pS/m)

 

 

2. 완화시간(緩和時間), τ

일반적으로 절연체에 발생한 정전기는 일정 장소에 축적하였다가 점차 소멸하며, 초기값의 38.8%로 감소하는 시간을 그 물체에 대한 정전기의 완화시간이라 한다.

완화시간(τ)은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

τ = RC = ερ

이 값은 대전체의 저항 RΩ과 정전용량 C(F) 또는 고유저항 ρ(Ω.m)와 유전율 ε(F/m)의 곱으로(RC = ερ) 정해진다.

 

따라서, 고유저항 또는 유전율이 큰 물질일수록 대전상태는 오래 지속된다.

일반적으로 완화시간은 영전위 소요시간의 1/4 ～ 1/5 정도이다.

 

● 대전방지제를 첨가하여 절연물질의 저항을 낮추거나, 격리된 도체의 접지 또는 공기를 이온화시켜 정전기를 소멸시킬 수 있다. 공기의 이온화(Ionization)는 대전된 물체 주위의 공기에 이동 가능한 전하를 공급하는 것으로, 이 이온들은 전기적으로 중성이 될 때까지 대전된 물체에 이끌리어 상호 결합함으로써 전하를 중화시킨다.

 

 

정전기 방전현상

정전기의 대전물체 주위에는 정전계가 형성된다. 이 정전계의 강도는 물체의 대전량에 비례하지만 이것이 점점 커지게 되어 결국, 공기의 절연 파괴 강도 (직류 : 약 30KV/cm)에 도달하게 되면 공기의 절연 파괴현상, 즉 방전이 일어나게 된다.

방전이 일어나면 대전체에 축적되어 있는 정전에너지는 방전에너지로써 공간에 방출되어 열, 파괴음, 발광, 전자파 등으로 변환되어 소멸된다. 방전현상의 종류는 크게 대전체의 표면을 따라 발생하는 연면방전과 대기 중에서 발생하는 기중방전으로 구분되고 기중방전은 코로나 방전, 브러쉬 방전, 불꽃 방전 등이 있다.

 

<표 1> 방전현상의 종류

종류		내용	특성
연면 방전		▶일반적으로 절연체의 표면에서 발생하는 방전현상으로 공기 중에 놓여진 절연체 표면의 전계강도*가 큰 경우에 고체표면을 따라서 진행하는 발광이 동반된 방전을 말함. ▶드럼(Drum)이나 싸일로(Silo)의 분진이 높은 전하를 보유할 때 발생	- 방전에너지가 높음 - 화재, 폭발 위험성이 매우 높음 - 재해나 장해의 주요 원인
코로나 방전		▶곡률반경이 작은 도체(직경 5mm 이하)에 정전기가 축적되면 전위가 높아지게 되고 고체표면의 전위경도가 일정치를 넘어서면 낮은 소리와 연한 빛을 수반하는 방전이 발생함. ▶침상물체에서 주로 발생	- 0.2mJ로 방전에너지가 적음 - 가스나 증기 미점화 ※ 민감한 물질은 점화 가능
브러쉬 방전 (스트리머 방전)		▶곡률반경이 큰 도체(직경 10mm 이상)와 절연물질(고체, 기체)이나 저전도율의 액체 사이에서 대전량이 많을 때 발생하는 수지상의 발광과 펄스상의 파괴음을 수반하는 방전을 말함.	- 4mJ까지 방전에너지 발생 - 화재, 폭발 위험성이 높음 - 가스, 증기 또는 민감한 분진에서 화재, 폭발을 일으킴
불꽃 방전 (스파크 방전)		▶불꽃방전은 표면의 전하밀도가 아주 높게 축적되어 분극화된 절연판 표면 또는 도체가 대전되었을 때 접지된 도체사이에서 발생하는 강한 발광과 파괴음을 수반하는 강렬한 용량성 방전을 말함.	- 방전에너지가 높음 - 화재, 폭발 위험성이 매우 높음 - 재해나 장해의 주요 원인

* 전계강도 : 전파(電波)가 전파(傳播)될 때 전파(電波)의 세기를 단위면적당 에너지로 표시한 것

 

Reference : 1. KFS 440 정전기 기준

2. KOSHA GUIDE E - 89 - 2017 정전기 재해예방에 관한 기술지침