소방기술사 최종합격 : 소방기술사 최고출제빈도 - 정전기 관련 핵심 요약정리

 

 

이번 포스팅에서는 소방기술사 출제빈도분석으로 5회이상 출제되었던 문제들중 하나인 정전기에 관해서 살펴보고자 하다. 많은 소방기술사 수험생들이 정전기에 대해서 어느정도는 익숙하게 접근할 수는 있으나 시험에서 고득점을 얻는 경우는 힘들다고들 하소연을 한다. 이유는 정전기에 대해서 확실하게 정리하고 자신있게 답안지에 서술할 수 있어야 하는데 그러지 못하고 어설프게 머리속에서 남아있다는 생각이 정전기에 대해서 안다고 착각을 하기 때문이다. 이번에 정전기 관련 문제가 출제되면 자신있게 답안을 작성할 수 있게끔 되었으면 한다.

정전기 핵심정리

 

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정전기

 

1. 개요

① 정전기 정의 : 전기에는 동전기와 정전기가 있는데, 전하가 이동할 경우 동전기라 하며 전하가 물체 표면에서 이동하지 않을 경우

② 정전기란 전하의 공간적 이동이 적어 전류 의한 자계효과가 전계효과 비해 무시할 정도로 아주 적은 전기를 의미

③ 정전기발생은 주로 2개의 물체 접촉 시 본래 전기적으로 중성상태 있는 물체에서 정(+) 또는 부(-)로 극성전하가 과잉되는 현상

④ 이 과잉전자를 정전기라 하며 발생한 정전기가 물체 상에 축적되는 현상을 정전기 대전이라 한다.

⑤ 정전기 불꽃은 높은 밀도의 점화에너지로서 가연성 기체가 존재하는 장소에서 주요한 점화원이다.

※ 전자 : 음전하 , 양성자 : 양전하

 

 

2. 정전기 발생 메카니즘

1) 전하이동

① 전자 1개를 물체표면에서 완전히 떼어내는데 필요한 최소한의 에너지나 일을 일함수라 하며 빛 또는 열 등을 이용하여 전자를 물체표면에서 떼어낼 수 있다.

② 서로 다른 일함수를 갖는 물체들을 접촉시키면 전자들은 작은 일함수를 갖는 물체를 떠나 더 큰 일함수를 갖는 물체로 이동한다.

③ 그 결과 전자의 이동으로 일함수가 낮은 표면은 (+)로 높은 표면은(-)로 대전되어 전기 2중층을 형성한다.

 

2) 전하분리

① 전기 2중층 형성 후 물체가 분리하게 되면 전기 이중층의 전하분리가 일어나 2개의 물체에는 각각 극성이 다른 전하가 발생한다.

② 서로 다른 두 물체에서 이동한 정전기를 Q , 양 금속의 표면차를 C 라 하면 다음과 같다.

 

V = Q/c

- Q : 전체 대전 전하량 (Joule : 방전 에너지)

- c : (모든 물체에 발생되는) 정전 용량

- V : 어떤 점으로부터 단위 전기량 옮기는데 필요한 두 점 사이의 전위차

 

③ 물체 분리 시 정전용량이 감소하면 접촉전위는 수 mV에서 수 KV로 상승한다.

 

정전기 메커니즘

 

3. 정전기 발생에 영향을 주는 요인

1) 물체의 대전서열

정전기의 발생은 일반적으로 접촉, 분리하는 2개의 물체가 대전서열 중에서 가까운 위치에 있으면 작고, 떨어져 있으면 큰 경향이 있다.

 

2) 물체의 표면상태

물체표면이 거칠면 정전기의 발생에 큰 영향을 준다. 물체의 표면이 수분, 기름 등에 의해 오염되어 있거나 부식(산화)되어 있으면 정전기 발생에 큰 영향을 준다.

 

3) 물체의 분리속도

접촉후 물체가 분리하는 속도는 전하분리에 주어지는 에너지에 관계가 있으며 이것이 크면 정전기 발생이 크게 되는 경향이 있다.

 

4) 물체의 이력

정전기 발생은 일반적으로 처음 접촉, 분리가 일어날 때 최고로 크고 접촉, 분리가

반복되어짐에 따라서 서서히 작게 되는 경향이 있다.

 

5) 물체의 접촉면적 및 접촉압력

접촉면적은 정전기발생 범위에 관계가 있으므로 이것이 크면 정전기발생이 크게 된다. 접촉압력이 크면 정전기의 발생도 크게 되는 경향이 있다.

 

4. 정전기 대전현상

1) 유도대전

대전물체의 부근에 절연된 도체가 있을 때 정전유도를 받아 전하의 분포가 불균일하게 되며 대전된 것이 등가로 되는 현상이다.

 

2) 유동대전

도전율이 낮은 액체류를 배관 등으로 수송할 때 정전기가 발생하는 현상이다.

 

3) 동결대전

동결대전은 극성기를 갖는 물 등이 동결하여 파괴할 때 일어나는 대전현상으로

파괴에 의한 대전의 일종이다.

 

4) 부상대전 및 침강대전

부상대전, 침강대전은 액체의 유동에 따라 액체 중에 분산된 기포 등 용해성의 물질(분산물질)이 유동이 정지함에 따라 비중차에 의해 탱크 내에서 부상 또는 침강 할 때 일어나는 대전현상이다.

 

5) 분출대전

분체류, 액체류, 기체류가 단면적이 작은 개구부(노즐, 균열 등)에서 분출할 때

마찰이 일어나서 정전기가 발생하는 현상이다.

 

6) 마찰대전

마찰대전은 물체가 마찰하면 일어나는 대전현상이며, 서로 마찰한 2개의 물체의

접촉, 분리에 의해 정전기가 발생한다.

 

7) 비말대전

공기중에 분출한 액체류가 미세하게 비산되어 분리하고, 크고 작은 방울로 될 때

새로운 표면을 형성하기 때문에 정전기가 발생하는 현상이다.

 

8) 적하대전

고체표면에 부착해 있는 액체류가 성장하고 이것이 자중으로 액적, 물방울로

되어 떨어질 때 전하분리가 일어나서 발생하는 현상이다.

 

9) 박리대전

박리대전은 밀착하고 있는 물체를 당길 때에 일어나는 대전현상이며 접촉, 분리에 의해 정전기가 발생한다.

예를 들면 종이, 필름, 시트, 포 등 얇은 물질은 밀착하고 있기 때문에 박리대전을 일으킨다.

 

10) 충돌대전

분체류에 의한 입자끼리 또는 입자와 고체 (예:용기병)와의 충돌에 의해서 빠르게

접촉, 분리가 일어나기 때문에 정전기가 발생하는 현상이다.

 

 

5. 정전기 방전

1) 방전 현상

① 정전기의 방전은 정전기의 전기적 작용에 의해 일어나는 전리작용으로서, 일반적으로 대전물체에 의해 정전계가 공기의 절연파괴 강도(약 3KV/mm)에 달한 경우에 일어나는 기체의 전리현상이다.

② 전하분리에 의해서 정전기가 발생하면 그 주위의 매질 중에 전계(Electric Field)가 형성된다. 전계의 크기는 전하의 축적과 더불어 비례하여 상승하며, 어느 한계 값에 도달하면 매질은 전기에 의해 절연성을 잃고 도전성으로 되어 버려 중화하기 시작한다. 이 현상을 방전현상이라 하며 빛과 소리를 수반하게 된다.

③ 정전기 방전이 일어나면 대전물체에 축적되어 있는 정전기에너지가 방전에너지 로서 공간에 방출되어 열, 파괴음, 발광, 전자파 등으로 소비된다. 이 방전에너 지가 크면 가연성물질에 착화 등을 일으켜 정전기장해, 재해의 원인으로 된다.

 

2) 방전의 종류

① 코로나 방전

코로나 방전은 기체방전의 한 형태로서 불꽃방전이 일어나기 전에 국부적인 절연이 파괴되어 방전하는 미약한 발광 방전이며 방전에너지 밀도가 작기 때문에 재해로 이어질 확률은 낮다.

 

② 스트리머 방전

기체방전에서 방전로가 긴 줄을 형성하면서 방전하는 현상을 스트리머 방전이라고 하며 비교적 강한 파괴음과 발광을 동반하는 방전으로 코로나 방전에 비해 방전에너지 밀도가 크며 재해의 원인이 된다.

 

③ 불꽃 방전

불꽃방전은 대전물체와 접지도체의 형태가 비교적 평행하고 그 간격이 적은 경우에 그것의 공간에서 갑자기 발생하는 강한 파괴음과 발광을을 동반하는 방전으로 방전에너지 밀도가 커서 재해의 원인이 된다.

 

④ 연면 방전

연면방전은 정전기가 대전되어 있는 부도체에 접지도체가 접근할 때 대전물체와 접지도체와의 사이에서 발생하는 방전과 동시에 부도체의 표면을 따라 발생하는 방전으로 방전에너지 밀도가 커서 재해의 원인이 된다.

 

6. 정전기 위험성

1) 전격재해

① 정전기에 의한 전격은 대전된 인체에서 접지도체로 또는 대전물체에서 인체로 정전기 방전이 일어나면 인체에 전류가 흘러 전격재해가 발생한다.

② 전격재해의 피해

- 사망의 직접적인 원인이 아니지만 근육의 급격한 수축등 신체적 손상

- 전격에 의해 신체균형을 잃고 높은 장소에서 추락, 전도, 기계로의 접촉 등 2차 재해 발생

- 전격에 의한 공포감, 불쾌감으로 능률저하

 

2) 화재 및 폭발재해

정전기에 의한 화재, 폭발은 다음의 조건에서 일어날 수 있다.

① 가연성물질(가연성가스, 증기 또는 분진)이 공기 등과 혼합해서 폭발한계 내에 있을 것

② 정전기스파크의 에너지가 가연성물질(가연성가스 및 증기)의 최소 착화에너지 이상일 것

③ 폭발성 분위기를 착화시키기 위해서는 충분한 방전에너지를 방출하는 정전기 방전이 있어야 한다.

 

3) 생산장해

① 역학현상에 의한 생산장해

띠끌의 부착으로 인한 반도체 공정상의 제품의 오염

 

② 방전현상에 의한 생산장해

- 방전에너지에 의한 반도체소자 등 전자부품의 손상, 파괴, 특성 열화

- 전자파에 의한 전자기기, 장치 등의 통신장해, 오동작

- 발광에 의한 사진필름 등의 감광

 

7. 정전기 방지대책

1) 인체

① 손목 접지대

손목에 가요성의 밴드를 차고 그 밴드는 도선을 이용하여 접지선에 연결함으로써 인체를 접지하는 기구로, 이 접지대에는 1MΩ 정도의 저항을 직렬로 삽입하여 동전기의 누설로 인한 감전사고가 일어나지 않도록 하고 있다.

 

② 대전 방지화

대전방지용 안전화는 구두 바닥의 저항을 Ω로 유지하여 도전성 바닥과 전기적으로 연결시킴으로써, 정전기의 발생방지는 물론 대전방지의 목적도 가하는 것으로 효과가 매우 크다.

 

③ 대전방지 작업복

제전복은 폭발위험분위기(가연성 가스, 증기, 분진)의 발생우려가 있는 작업장에서 작업복 대전에 의한 착화를 방지하기 위한 것으로, 인체 대전방지 효과도 있으며 이는 일반 화학섬유 중간에 일정한 간격으로 도전성 섬유를 짜 넣은 것이다.

 

2) 도체

① 접지 및 본딩

- 접지란 도체와 대지와의 사이를 전기적으로 접속해서 대지와 등전위화 함으로서 정전기 축적을 방지하는 방법이다. 정전기 방지대책 중 가장 기본 적인 대책이다.

- 본딩이란 접촉부분등의 금속물체 사이가 절연상태로 되어 있을 경우 이 사이를 도선으로 결합하여 양자의 전위차를 제거하고 방전을 방지하기 위한 방법이다.

 

② 정치시간

- 탱크로리 등에 위험물을 주입하여 용기내의 유동이 정지하여 정전기 방전이 발생치 않을 정도까지 정치시간을 둔다.

 

③ 배관 내 액체의 유속제한

- 탄화수소계 절연성 액체 이송시 정전기 대전량은 유속의 1.75승에 비례하므로 배관내 유속은 가능한 억제하여야 하며 이동용 저장탱크 주입구 주입속도는 1m/sec 이하로 하여야 한다.

 

3) 부도체

① 제전기 사용

전압인가식, 자기방전식, 방사선식의 제전기를 사용하여 정전기를 제거한다.

 

② 대전방지제 사용

- 전기저항이 높은 물질 대신에 전도성이 있는 물질을 사용하는 것으로 부도체의 도전성을 향상시켜 전하의 누설을 촉진시키며 정전기축적을 방지한다.

- 대전방지제로 쓰이는 물질은 주로 계면활성제이다.

 

③ 가습

- 일반적으로 상대습도가 60～70% 이상이 되면 정전기의 축적을 방지한다.

- 물을 분무하는 방법, 증기를 분무하는 방법, 증발법 등이 있다.

 

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(주)여울 종합건축사사무소와 컨소시엄 작업수행중
건축 & 문화 프로젝트팀 STORY ONE에서 활동중, 28년차 건축가 주원태
홍익대학원 도시계획과 석사과정 
저서로는 [수인의 건축]  [집과 연필, 비례이거나 반비례거나]등이 있다
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