번개 칠 때 차 안이 안전할까, 나무 밑이 안전할까?(정전차폐)

[김동석]

번개 칠 때 차 안이 안전할까, 나무 밑이 안전할까?(정전차폐)

번개는 수만볼트의 큰 전압 때문에 공기가 전리되어 전하로 이동하는 현상이다. 번개의 에너지는 엄청나서 큰 나무나 집들을 순식간에 태워 버리기도 한다.  그런데 이런 무시무시한 번개가 칠 때, 자동차 안이 안전할까, 큰 나무 밑이 안전할까? 차 안에 있는 사람이 아무 피해도 입지 않는다고 한다. 그 이유는 무엇일까?    그것은 자동차가 도체인 금속으로 되어있기 때문이다. 외부 전기장이 얼마이든 도체 안은 항상 0이다. 번개가 치는 것은 구름과 땅 사이의 큰 전압이 걸려서 그 사이로 전하가 이동하는 것이다.

    그런데 자동차에 전하가 쏟아져 들어오면 차 표면 전체에 전자들이 퍼지게 된다. 전자들끼리는 서로 같은 극이므로 척력이 작용하기 때문이다.

  이처럼 금속 내부의 전기장이 0이 된다는 것을 좀더 쉽게 이해하려면 그림과 같이 대전된 금속공을 생각하면 된다. 그림처럼 음전하로 대전된 상태에서 전하는 서로 밀치는 힘이 작용하기 때문에 각급적 이웃 전하로부터 멀리 떨어지도록 배열한다. 또한 전하끼리 작용하는 전기력은 공간덕으로 떨어져 있어도 작용하는 힘이다. 이런 쿨롱 반발력을 받으면 음전하끼리 가능한 멀리 떨어져야하고, 그 결과가 금속공 내부가 아닌 표면에 균일하게 배열되는 것이다.

  이렇게 음전하들이 균일하게 금속공의 표면에 배치되면 금속공 표면의 음전하에 의해 금속공 안의 임의의 점에 미치는 전기장은 대칭이 되어 어떤 전기력도 받지 않는 상태, 즉 전기장이 0이된다.

  이것은 금속공과 같이 기하학적인 대칭 모양에서 뿐 아니라 일반 적인 도체에서도 그대로 적용된다. 만일 도체 표면의 전하에 의해 도체 내부에 어떤 전기장이 형성되었다고 하자. 그러면 이 전기장에 의해 도체 표면의 전하들이 즉시 영향을 받아 움직이게 되며, 이 움직임은 내부의 전기장이 사라질 때 까지 계속될 것이다. 따라서 결국 도체 내부의 전기장은 0이 되는 것이다. 그러므로 벼락, 즉 전자가 무더기로 쏟아져도 차 속은 안전한 장소가 된다.

   그런데 큰 나무 밑은 대단히 위험한 곳이다. 우선 훔뻑 젖은 나무는 좋은 도체이면서 높기 때문에 나무 주변이 다른 곳보다 더 높은 전기장을 가지게 된다. 그러므로 밑에는 대단히 위험한 곳이 된다.