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전기기사 전기자기학 · 방전 현상

Electrical Discharge

평소에는 절연체인 기체도 센 전계를 걸면 전자가 가속되어 분자와 부딪치며 이온을 늘리고, 어느 순간 전류가 흐르는 길로 바뀐다. 이렇게 기체의 절연이 깨지는 것이 방전이며, 번개 · 네온사인 · 아크 용접 · 차단기 안의 아크가 모두 여기에 든다. 방전이 시작되는 전압은 기압과 전극 간격의 곱 pd 로 정해지는 파센 곡선을 따르고, 이 곡선은 바닥이 있는 U 자라서 진공에 가깝거나 압력이 높으면 오히려 방전이 어려워요. 기체 버튼으로 파센 곡선과 최소점 Vmin 이 바뀌고, 아래 네 버튼으로 코로나 · 글로우 · 아크 · 불꽃 방전의 모습을 차례로 볼 수 있어요.

절연이 깨지는 순간

⚡ 방전이란
①절연체인 기체에 센 전계를 걸면 전자가 가속되어 분자와 부딪치며 이온을 만든다
②이 이온화가 사태처럼 불어나면(전자 사태) 기체가 도체처럼 되는데, 이것이 절연 파괴, 곧 방전이다
③번개 · 네온사인 · 아크 용접 · 차단기의 아크 소호가 모두 방전 현상이에요

파센 법칙

파센 법칙
Vb = f(pd)
바닥(Vmin)이 있는 U 자 곡선
🔑 파센 곡선 읽기
①pd 가 작은 쪽(진공에 가까움): 부딪칠 분자가 적어 이온화가 어렵고 Vb 가 높다
②pd 가 큰 쪽(고압): 평균 자유 행로가 짧아 전자가 충분히 가속되지 못해 Vb 가 높다
③최소점에서는 부딪치는 횟수와 한 번에 얻는 에너지가 알맞게 맞아 가장 쉽게 방전돼요

방전의 종류

절연 파괴와 응용

💡 방전 종류별 특성
①코로나: 뾰족한 곳처럼 전계가 고르지 않은 자리에서 생기는 국부 방전으로, 송전선 손실과 잡음의 원인이다
②글로우: 몇 torr 의 낮은 압력에서 고르게 빛나며, 네온사인 · 형광등 · 플라즈마 처리에 쓴다
③아크: 수천 K 의 고온에서 낮은 전압으로 큰 전류가 흐르며, 용접에 쓰고 차단기에서는 꺼야 할 대상이다
④불꽃(스파크): 순간적으로 완전히 파괴되는 방전으로, 번개와 점화 플러그가 그 예예요
기체의 절연 내력(공기)
Eb ≈ 3 MV/m = 30 kV/cm
절연 파괴 전계 세기. 습도 · 온도 · 기압에 따라 달라진다
🛡️ 절연을 강하게 하는 방법
①SF₆ 가스: 공기의 약 2.5 배 절연 내력이라 GIS(가스 절연 개폐 장치)에 쓴다
②고진공: pd 가 아주 작아 Vb 가 높으므로 진공 차단기에 쓴다
③고압: 평균 자유 행로가 짧아져 절연 내력이 높아져요

시험 핵심 정리

🎯 시험 포인트
①파센 법칙: 파괴 전압 Vb 는 pd 의 함수이고 U 자 곡선이다
②코로나: 고르지 않은 전계의 국부 방전으로 송전선 손실 · 소음 · 전파 방해를 일으킨다
③아크: 고온 · 대전류 · 저전압이라 차단기에서는 아크를 끄는 것이 핵심이다
④공기의 절연 내력은 표준 상태에서 약 30 kV/cm 다
⑤SF₆ 는 공기의 약 2.5 배 절연 내력이라 GIS 에 써요
📝 대표 기출 유형
①[파센] 파괴 전압이 기압 × 간격(pd)의 함수라는 법칙 → 파센 법칙
②[절연 내력] 공기의 절연 내력 → 표준 상태에서 약 30 kV/cm
③[SF₆] GIS 에 SF₆ 가스를 쓰는 이유 → 공기보다 절연 내력이 약 2.5 배 높아서예요
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