축전기(capacitor)의 정의와 원리

축전기(capacitor)의 정의와 원리

 

전하를 띤 도체는 주변에 자기장을 형성하고, 여기에 다른 전하가 접근하면 전기력을 받아 가속된다. 이에따라 대전된 도체들은 전기력에 의해 생성된 퍼텐셜 에너지를 갖게 된다.

축전기 또는 커패시터(capacitor)란 이러한 원리를 이용하여 전하를 저장하는 장치로써, 일반적으로 두개의 극판(conductive plate)이 있고 그 사이에 유전체(dielectric)가 들어있는 구조로 되어있다. 여기서 유전체란 전하는 통과시키지 않지만 전기적으로 대전될 수 있는 물질을 말한다.

 

축전기를 전지나 외부 에너지 공급장치에 연결하여 전하를 저장하는 것을 충전(charge)이라고 한다. 충전의 두 극판사이의 전압이 전지의 전압과 같아질 때까지 일어난다. 시간이 지나 평형을 이루게 되면 전기가 통하지 않는 상태가 되며 축전기의 충전이 완료된다. 

충전과정 

방전(discharge)은 충전과정의 역과정으로 축전기에 저장된 전하가 회로를 통해 빠져나가 저장된 전하량이 줄어드는 현상이다.

축전기가 완전히 방전되면 더이상 전류가 흐르지 않는다.

방전과정 

전기 용량(capacitance)

도체가 가진 전하량이 증가하면 극판에 걸리는 전기장의 세기 또한 증가하며 이에따라 도체까지 전하를 운반시키는 일도 증가하여 전위차 또한 증가하게된다. 즉 전하량(Q)에 비례하여 전위(V)도 높아진다.

이때 비례상수를 C라고하면 다음과 같은 식이 된다. 여기서 비례상수 C를 축전기의 전기용량(capacitance)이라고 한다.

즉, 전기용량이란 동일한 전압을 걸어줬을때 얼마만큼의 전하가 축척될 수 있는지를 나타내는 지표이다. 단위는 패럿(F)으로 축전기의 두 극판에 1V의 전압을 걸었을 때 1C(여기서 C는 전하량의 단위인 쿨롱이다)의 전하량이 충전되는 축전기의 전기용량을 1F으로 정의한다. 

평행판 축전기뿐 아니라 도체판의 형태에 따라 구형 축전기, 원동형 축전기등이 있다. 일반적인 평행판 축전기의 전기용량은 다음과 같이 정의된다.

많은 전하량을 축적하기 위해선 더 강한 전기장이 걸려야하므로 금속판의 간격(d)는 작고, 면적(S)는 클수록 축전기의 용량도 커지게 된다. ε는 유전율이며, 두 극판 사이에 있는 유전체의 유전율이 클수록 전기용량 또한 증가한다.