[물리학-전자기학] 13. 정전용량(커패시턴스) | Capacitance (1)

 

정전용량(capacitance): 전기용량, 커패시턴스, 유전물질(유전체)이 전하를 축적할 수 있는 능력

cf. 축전기(capacitor): 콘덴서, 전기회로 상 전기를 모으고, 방출하기 위해 사용하는 소자[그림 1]

 

그림 1. 축전기 [출처: Wikipedia]

 

 

• 전기회로에서 전기 에너지는 축전기가, 자기 에너지는 인덕터가 저장한다.
• 전기회로(electrical network): 회로(circuit), 전류가 흐를 수 있도록 전지, 도선, 스위치 등을 연결한 통로, 전류의 순환회로
• 소자(element): 전자 회로에서 구성요소가 되는 낱낱의 부품, 종류마다 독립된 고유기능을 가진다. e.g. 축전기, 저항기, 인덕터, 다이오드(diode; 저마늄과 실리콘으로 만들어져, 한쪽 방향으로만 전류가 흐르도록 제어하는 반도체 소자), 트랜지스터(transistor; 증폭과 스위치 역할을 하는 반도체 소자) 등

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축전기의 구조

 

그림 2. 축전기 구조 [출처: 삼성 반도체]

 

축전기는 커패시터라고도 불리며, 전기회로 상에서 전기를 저장한다. 반도체 분야에서는 콘덴서(condenser)라고도 한다.

• 축전기에서 전기는 '일시적'으로 저장된다.
• 구조: [그림 2]와 같이 두 개의 도체판(conductive plate)과 절연체(유전체)로 크게 구분
• 전기회로에서 축전기는 C로 표현된다.
• 축전기에 모이는 전하량은 연결단자에 걸린 전압 ΔV에 비례한다. ⇒ 전하의 충전 능력은 커패시턴스이다.

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유전체

 

그림 3. 유전체 [출처: Wikipedia]

 

• 유전체(dielectric material): 전기장 내에서 극성을 지니는 절연체로 축전기에서는 두 도체판 내에 위치한다.
• 도체와 달리 유전체 자체에는 전하가 통과하지 않는다. ⇔ 그러나 유전체를 이루는 분자 구조 상 전극판(plate)에 대해 양전하에 대해서는 음전하가, 음전하에 대해서는 양전하 부분이 배치됨으로써 '극성'을 띤다.

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전기에너지 저장의 원리

[1] 축전기의 두 판에 유전체가 없는 경우 전위차를 ΔV_0라 가정할 때, 두 판 사이에 유전체가 있는 축전기의 전위차는 실험적으로 ΔV로 측정되고 둘의 관계는 다음과 같다.

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[2] 위 식에서 k는 물질의 유전상수(relative permittivity)라 하며, 상온에서의 물질의 유전상수[표 1]는 아래와와 같다.

표 1. 물질의 유전상수

[3] 감소된 전위차에 대해 유전체는 전기적 퍼텐셜에너지로 전환하여 저장한다.

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그림 4. 축전기의 기본 구조 [출처: University Physics Volume 2, OpenStax, 2016, p.358]

 

축전기의 내부는 두 도체판이 떨어져 있는 구조[그림 4]로 사이에는 보통 절연체(insulator)가 들어간다.

• 축전기의 핵심적인 역할은 크기는 같지만 부호가 서로 반대인 전하로 대전된 두 도체의 배열구조에 있다.
• 두 도체 사이에는 전위차 ΔV가 존재하며, 대전된 전하의 양 Q는 도체 사이의 전위차에 비례한다.

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정전용량(전기용량)

Capacitance

 

전위차 ΔV와 도체에 대전된 전하양 Q의 비례관계를 통해 전기용량 식을 아래와 같이 구할 수 있다.

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전기용량

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• 의미: 축전기의 전기용량은 어느 한쪽 도체의 전하 크기와 두 도체 사이의 전위차 크기의 비로 정의한다.
• 전기용량은 항상 양의 값이다.
• 단위: [C/V] ⇒ 패러데이의 이름을 딴 단위 패럿(farad, [F])으로 쓴다.

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