[Section 1] 축전기(Capacitor)

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[INTRO] 전자기공학 미리보기

0. INTRO

콘덴서(condenser)로도 불리는 축전기는 전기적 에너지를 저장하는 가장 기본적인 소자이다. 이번에는 축전기의 기본 원리에 대해 알아보고, 그 용량을 기술하는 것을 배워보도록 하자.

1. 축전기의 원리

금속 판 두 개가 일정한 거리 d 만큼 떨어져 있고,  다음과 같이 전압 V를 가해주었다고 가정해보자.

축전기 원리

 

금속판은 저항이 0인 도선을 따라 이어져있으므로, 전하량은 각각 +Q와 -Q 만큼 금속판에 쌓이게 된다. 이렇게 쌓인 전하들은 전기장을 형성하는데, 전하들을 서로 끌어당기는 인력이 작용하게 된다. 이 인력은 축전기를 평행 상태를 유지하는 기본 원리가 되는 것이다. 이상적인 축전기에 쌓인 축전 용량(Capacitance)을 다음과 같이 C로 정의한다.

 

축전 용량의 정의

 

이 C는 한쪽 금속판과 반대쪽 금속판의 전하량 비율, 즉 양전하량과 음전 하량의 비율을 의미한다.

2. 축전 용량의 증가 원리

이전에 배운 진공상태에서의 전기장은 다음과 같은 관계식을 갖는다. 

 

전기장과 전하량의 관계식

 

여기에서 n은 법선 방향을 의미한다. 따라서 전위는 E의 발산과 같고, 유전율의 증가는 전위의 감소를 의미한다. 그리고 축전기의 양 금속판 사이가 진공이라는 뜻이므로 축전 용량의 증가를 가져오려면, 유전율이 높은 물질을 삽입하면 된다. 

 

위와 같이, 축전기 용량은 전기장의 방향 또한 영향을 미친다. 일반적으로 평행한 축전기(parallel-plate)의 축전 용량은 다음의 식을 따르는 것으로 잘 알려져 있다.

 

평행한 축전기의 충전 용량 관계식

 

* 다음 강의는 전기적 에너지입니다.

[Section 1] 전기적 에너지(Energy)