커패시터(Capacitor)와 커패시턴스(Capacitance)

커패시터(Capacitor)와 커패시턴스(Capacitance)에 대해 조금 더 알아보도록 하겠습니다.

커패시터(Capacitor)란,

두 금속판 사이에 유전체가 채워진 형태로 전하를 모으는 역할을 합니다.

TIP

유전체는 절연체와 같은 재료라는 공통점이 있지만 사용 목적에 따라 절연체는 전기적 분리를 목표로 하고, 유전체는 전기를 유도하는 물질이라는 것을 알아두도록 하자.

커패시터의 원리(충·방전)

커패시터에 나타나는 중요한 현상은 바로 충·방전 현상입니다. 방전된 커패시터에 전압을 인가하면 전류가 커패시터에 전하를 충전하게되고, 충전된 커패시터 양단을 서로 연결하면 전류가 흘러서 커패시터가 방전되게 되는 원리이죠.

회로에서 커패시터에 아무런 영향을 주지않을 때는 이상적인 상태로 전류가 흐르지 않습니다. 이럴 때 유전체 내에 음전하와 양전하는 짝을 이루고 있으며 '중성 상태'라고 합니다.

충전은 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 (-)전하가, 양극에는 (+)전하가 유도되는데, 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 됩니다. 이 인력에 의하여 전하들이 모여있게 되므로 에너지가 저장되는 원리입니다. 충전 초기에는 움직이는 (-)전하가 가장 많고 충전이 끝나갈수록 점점 그 수가 줄어듭니다. 따라서 충전속도는 초기에 가장 빠르고 인가한 전압만큼 커패시터에 충전이 된다면(예 : 전원 100V를 걸어주고 커패시터에 100V 전위차가 발생할 경우) 더 이상 도선과 커패시터에는 전류가 흐르지 않게 됩니다.

이렇게 충전된 커패시터에 전원을 제거하고 회로에 흐르는 전류에 의해 커패시터의 전원이 0이 될 때까지 빠져 나가는 것이 바로 방전 원리입니다.

위의 이미지처럼 RC회로에서의 커패시터의 시정수(τ)는 \(\tau = R \times C\)로 표현할 수 있습니다. 63.2% 까지 도달할 때까지 걸리는 시간을 초로 표현한 것으로 '시상수'라고도 부릅니다.

커패시터의 직렬 연결

직렬 연결시 전극 사이의 거리를 넓히는 효과가 있어 합성 용량이 감소하는 단점이 있지만, 내압이 증가한다는 장점이 있습니다. 커패시터의 내압을 모두 더한 것이 합성 내압이 됩니다.

커패시터의 병렬 연결

병렬 연결시 전극의 면접 증가로 용량은 증가되는 장점을 가지며 이 때 커패시터 내압은 변하지 않습니다. 또한 병렬 연결한 커패시터 중에서 가장 낮은 내압이 합성 내압이 됩니다.

커패시턴스(Capacitance)

도체가 가진 전하량이 증가하면 극판에 걸리는 전기장의 세기 또한 증가하게 되는데 이 때 도체까지 전하를 운반시키는 일도 증가하여 전위차도 증가하게 됩니다. 즉 전하량(Q)에 비례하여 전위(V)도 높아집니다.(Q ∝ V) 이때 축전되는 전하량의 비율을 커패시턴스라고하고 c로 표현합니다. (수식 : Q = CV) 단위는 패럿[F]을 사용하며 보통 uF, pF으로 표현합니다.

커패시턴스의 3가지 물리적 인자는 커패시터 도체(플레이트)의 활성 영역, 도체(플레이트) 사이의 거리, 유전체 매체의 유전율입니다.