번개현상은 인류의 역사가 시작되기 전부터 있어왔던 가장 오래되고, 또한 가장 지구 전체의 전기적 현상이다. 또한 번개는 생활 주변에서 자주 보고 경험할 수 있는 대상이지만 그 특성이나 생성 메커니즘을 잘 알지 못하고 있었으며, 번개 현상에 대한 마땅한 교육 자료도 없다. 그래서 번개의 메커니즘과 번개를 만드는 구름속의 물방울의 전기적인 안정성에 대하여 알아보기로 하였다. 지구는 거대한 전기체이며 전리층과 지면 사이에 40만 볼트(약 100V/m)의 높은 ...
번개현상은 인류의 역사가 시작되기 전부터 있어왔던 가장 오래되고, 또한 가장 지구 전체의 전기적 현상이다. 또한 번개는 생활 주변에서 자주 보고 경험할 수 있는 대상이지만 그 특성이나 생성 메커니즘을 잘 알지 못하고 있었으며, 번개 현상에 대한 마땅한 교육 자료도 없다. 그래서 번개의 메커니즘과 번개를 만드는 구름속의 물방울의 전기적인 안정성에 대하여 알아보기로 하였다. 지구는 거대한 전기체이며 전리층과 지면 사이에 40만 볼트(약 100V/m)의 높은 전위차를 형성하고 있고, 약 40만 쿨롱의 전하량을 포함하고 있다. 매초 약 1500C의 전하들이 지구표면에서 대기 중으로 빠져나가고 이렇게 빠져나간 전하량은 번개로 되돌아오게 되며 한 번 번개가 칠 때마다 20∼30C(쿨롱)의 전하량이 운반된다. 다양한 형태와 다양한 경로를 통하여 생성되는 번개의 종류에 대하여 알아보았으며, 여러 번개 현상들 중에서 가장 일반적인 형태는 뇌우에 의한 번개였다. 번개가 형성되는 과정을 명확하게 설명하는 이론은 없지만 일반적으로 대기의 증발현상과 물의 순환과정에서 구름에 전하가 발생하는 것으로 번개의 발생과정을 설명하고 있었다. 뇌우 구름을 구성하는 물방울은 대전된 전하에 의한 전기적 스트레스와 표면 장력에 의하여 물방울의 모양과 안정성을 유지한다. 대전된 뇌우구름의 음전하 중심의 온도를 약 -5 ℃～ 15 ℃정도로 가정하고, 구름 속에 포함된 대전된 물방울의 크기에 따라 전기적인 스트레스에 의해 파열되지 않고 안정된 상태로 존재하기위한 임계 전하량을 Laplace-Young방정식을 이용하여 계산하였다. 물의 밀도가 1 임을 이용하여 빗방울 반지름에 따라 뇌우속의 빗방울 하나의 질량을 계산하고, 상대습도 100%인 뇌우 구름의 크기를 1 의 정육면체라고 가정하고 -5℃～ 15℃의 구름 속에 포함된 수증기의 양을 계산하여 뇌우속의 빗방울의 총 개수를 계산하였다. 뇌우구름의 대전량은 보통 40C(쿨롱)정도 이지만 모든 구름이 대전 되었다고 볼 수 없으므로 뇌우 구름의 대전 정도에 따라 구름입자 하나에 대전된 전하량을 계산하여 임계전하량과의 관계를 비교하여 구름의 이온화 정도와 빗방울의 전기적 안정성을 알아보았다. 이것은 빗방울의 최대 크기도 짐작해 볼 수 있다. 구름은 많은 양의 물을 포함하고 있으며 번개가 발생하는 구름의 온도를 0 ℃～ 15 ℃로 가정하고 구름 속의 빗방울의 크기와 구름의 이온화 정도에 따라 구름속의 물방울의 안정성을 알아본 결과 0.1%정도의 구름이 이온화 되더라도 번개가 발생하는 40 C(쿨롱)의 전하량에 도달하게 되고 임계전하량을 넘어가지 않음을 볼 수 있다. 따라서 구름속의 전하를 띤 물방울들에 의해 번개가 발생할 때 구름의 0.1%정도만 대전되어 있다하더라도 대전된 물방울은 전기적 스트레스에 의해 파열되지 않고 구름 속에 안정하게 존재 할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 구름속의 물방울은 서로 병합하여 커질수록 전기적으로 안정한 상태임을 알 수 있었다.
번개현상은 인류의 역사가 시작되기 전부터 있어왔던 가장 오래되고, 또한 가장 지구 전체의 전기적 현상이다. 또한 번개는 생활 주변에서 자주 보고 경험할 수 있는 대상이지만 그 특성이나 생성 메커니즘을 잘 알지 못하고 있었으며, 번개 현상에 대한 마땅한 교육 자료도 없다. 그래서 번개의 메커니즘과 번개를 만드는 구름속의 물방울의 전기적인 안정성에 대하여 알아보기로 하였다. 지구는 거대한 전기체이며 전리층과 지면 사이에 40만 볼트(약 100V/m)의 높은 전위차를 형성하고 있고, 약 40만 쿨롱의 전하량을 포함하고 있다. 매초 약 1500C의 전하들이 지구표면에서 대기 중으로 빠져나가고 이렇게 빠져나간 전하량은 번개로 되돌아오게 되며 한 번 번개가 칠 때마다 20∼30C(쿨롱)의 전하량이 운반된다. 다양한 형태와 다양한 경로를 통하여 생성되는 번개의 종류에 대하여 알아보았으며, 여러 번개 현상들 중에서 가장 일반적인 형태는 뇌우에 의한 번개였다. 번개가 형성되는 과정을 명확하게 설명하는 이론은 없지만 일반적으로 대기의 증발현상과 물의 순환과정에서 구름에 전하가 발생하는 것으로 번개의 발생과정을 설명하고 있었다. 뇌우 구름을 구성하는 물방울은 대전된 전하에 의한 전기적 스트레스와 표면 장력에 의하여 물방울의 모양과 안정성을 유지한다. 대전된 뇌우구름의 음전하 중심의 온도를 약 -5 ℃～ 15 ℃정도로 가정하고, 구름 속에 포함된 대전된 물방울의 크기에 따라 전기적인 스트레스에 의해 파열되지 않고 안정된 상태로 존재하기위한 임계 전하량을 Laplace-Young방정식을 이용하여 계산하였다. 물의 밀도가 1 임을 이용하여 빗방울 반지름에 따라 뇌우속의 빗방울 하나의 질량을 계산하고, 상대습도 100%인 뇌우 구름의 크기를 1 의 정육면체라고 가정하고 -5℃～ 15℃의 구름 속에 포함된 수증기의 양을 계산하여 뇌우속의 빗방울의 총 개수를 계산하였다. 뇌우구름의 대전량은 보통 40C(쿨롱)정도 이지만 모든 구름이 대전 되었다고 볼 수 없으므로 뇌우 구름의 대전 정도에 따라 구름입자 하나에 대전된 전하량을 계산하여 임계전하량과의 관계를 비교하여 구름의 이온화 정도와 빗방울의 전기적 안정성을 알아보았다. 이것은 빗방울의 최대 크기도 짐작해 볼 수 있다. 구름은 많은 양의 물을 포함하고 있으며 번개가 발생하는 구름의 온도를 0 ℃～ 15 ℃로 가정하고 구름 속의 빗방울의 크기와 구름의 이온화 정도에 따라 구름속의 물방울의 안정성을 알아본 결과 0.1%정도의 구름이 이온화 되더라도 번개가 발생하는 40 C(쿨롱)의 전하량에 도달하게 되고 임계전하량을 넘어가지 않음을 볼 수 있다. 따라서 구름속의 전하를 띤 물방울들에 의해 번개가 발생할 때 구름의 0.1%정도만 대전되어 있다하더라도 대전된 물방울은 전기적 스트레스에 의해 파열되지 않고 구름 속에 안정하게 존재 할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 구름속의 물방울은 서로 병합하여 커질수록 전기적으로 안정한 상태임을 알 수 있었다.
Lightning is the most global spectacular manifestation of electrical activity in the atmosphere. The phenomenon must have occurred before the history of the mankind. Even though it is also frequently observed in the modern normal life, its character and mechanism have not been understood well. It is...
Lightning is the most global spectacular manifestation of electrical activity in the atmosphere. The phenomenon must have occurred before the history of the mankind. Even though it is also frequently observed in the modern normal life, its character and mechanism have not been understood well. It is not easy to find even useful information just for heuristic knowledge. Thus I choose this problem for my thesis. The earth is a great electrical engine. The total potential difference between the ionosphere and the earth surface is about 400,000 volts, which implies 400000 coulombs of charges. In fair weather, some amount of charges are vanished by the charge flow in the air due to the potential. The losing amount of charges are restored by lightning. Each lightning carries 20-30 coulombs of charges. There has been no exact theory about lightning so far. It is believed that lightning occurs due to charges produced on the water drops during the cycling process from evaporation through liquefaction or freezing to vaporization. In the current work, we have considered that electric stress and surface tension are the two major factors to determine the size and stability of water drops in the thunder storm cloud. Then we use the Laplace-Young equation to the critical charge of water drops as a function of size. Below the critical value of charge, the water drop can be stable without breaking-up. Next we calculate the average mass of a water drop, the total amount of water vapor, and the number of water drops contained in the thunderstorm. The thunderstorm is regarded as a cube of size 1 . This leads to the calculation of the value of the charge on each drop. Then we have investigated the stability by comparing of the obtained value of charge with the critical value determined by the Laplace-Young equation. The current result is used to obtain the maximum size of water drop in the thunderstorm. We continue to analyze the stability of charged water drops at temperatures of 0 ℃～ 15 ℃. When 0.1 % fraction of water drop is charged, the cloud has the charge of 40 C which is the typical value for a thunderstorm. The calculation shows that the water drop is still stable for such an charging. It is also found that the stability increases as water drops combine to increases in size.
Lightning is the most global spectacular manifestation of electrical activity in the atmosphere. The phenomenon must have occurred before the history of the mankind. Even though it is also frequently observed in the modern normal life, its character and mechanism have not been understood well. It is not easy to find even useful information just for heuristic knowledge. Thus I choose this problem for my thesis. The earth is a great electrical engine. The total potential difference between the ionosphere and the earth surface is about 400,000 volts, which implies 400000 coulombs of charges. In fair weather, some amount of charges are vanished by the charge flow in the air due to the potential. The losing amount of charges are restored by lightning. Each lightning carries 20-30 coulombs of charges. There has been no exact theory about lightning so far. It is believed that lightning occurs due to charges produced on the water drops during the cycling process from evaporation through liquefaction or freezing to vaporization. In the current work, we have considered that electric stress and surface tension are the two major factors to determine the size and stability of water drops in the thunder storm cloud. Then we use the Laplace-Young equation to the critical charge of water drops as a function of size. Below the critical value of charge, the water drop can be stable without breaking-up. Next we calculate the average mass of a water drop, the total amount of water vapor, and the number of water drops contained in the thunderstorm. The thunderstorm is regarded as a cube of size 1 . This leads to the calculation of the value of the charge on each drop. Then we have investigated the stability by comparing of the obtained value of charge with the critical value determined by the Laplace-Young equation. The current result is used to obtain the maximum size of water drop in the thunderstorm. We continue to analyze the stability of charged water drops at temperatures of 0 ℃～ 15 ℃. When 0.1 % fraction of water drop is charged, the cloud has the charge of 40 C which is the typical value for a thunderstorm. The calculation shows that the water drop is still stable for such an charging. It is also found that the stability increases as water drops combine to increases in size.
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