축전기
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축전기(capacitor 커패시터[*]) 또는 콘덴서(condenser)란 전기 회로에서 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이다. 두 개의 단자가 있는 수동소자이다. 축전기 내부는 두 도체판이 떨어져 있는 구조로 되어 있고, 사이에는 보통 절연체가 들어간다. 각 판의 표면과 절연체의 경계 부분에 전하가 비축되고, 양 표면에 모이는 전하량의 크기는 같지만 부호는 반대이다. 즉, 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 (-)전하가, 양극에는 (+)전하가 유도되는데, 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 된다. 이 인력에 의하여 전하들이 모여있게 되므로 에너지가 저장된다.
명칭[편집]
"콘덴서"(condenser)라는 이름은 일본에서 영문 이름을 번역한 것이 그대로 대한민국으로 유입된 것으로, 오늘날 한국물리학회 표준 용어는 "축전기"이다.[1] 뿐만 아니라, "condenser"라는 영어 용어는 광학에서 집광기(빛모으개)나 기체 역학에서 응축기(기체를 액체로 변화시키는 기구) 등 전혀 다른 기구를 일컫기도 한다.[2]
역사[편집]
1745년 최초의 축전기 형태인 라이덴병이 독일 발명가인 Ewald Georg von Kleist에 의하여 발명되었다. 1746년에는 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자인 Pieter van Musschenbroek도 독자적으로 라이덴병을 발명하였다. 최초의 라이덴병은 운 유리병에 코르크 마개 중앙으로 도선을 삽입하여 물에 닿도록 한후 정전기를 충전시키는 단순한 형태였다. 그 후 유리병의 안과 밖에 금속박(주석박)을 입혀 극성이 서로 다른 전하를 충전시키고 도선을 서로 연결하여 충전된 전하를 방전시키는 완전한 형태의 콘덴서로 발전하게 되었다. 라이덴병에서 유리가 유전체, 주석박이 전극역할을 하고 있는 것이다.
그 후 지금과 같은 축전기가 비약적으로 발전하게 된 동기는 제2차 세계대전이 결정적인 고비가 되었다. 그 전에는 주로 자연적인 재료를 유전체로 사용하였으나 제2차 세계대전을 전후하여 독일에서 금속증착기술이 상용화되면서부터 소형화된 축전기의 출현이 가능하게 된 것이다.
축전기의 종류[편집]
축전기는 사용하는 유전체에 따라 공기 축전기·진공 축전기·가스입 축전기·액체 축전기·운모 축전기·종이 축전기·금속화종이 축전기·자기 축전기·유기막 축전기·전해 축전기 등으로 나눈다.
또 전기 용량이 변화하지 않는 고정 축전기와 변화하는 가변 축전기로도 분류한다. 가변 축전기는 흔히 바리콘이라고도 불리며 임피던스를 조절하여 전파를 수신하는데 사용된다.
이 밖에도, 용도에 따라 슈퍼 축전기 (용량이 매우 큰 축전기), 고압 축전기 (고압 전기를 축전할 때 사용, 대표적으로 테슬라 코일의 콘덴서로 사용하거나 카메라 플래시에서 순간적인 고전압을 발생 시킬 때 사용) 등으로 분류한다.
진공 축전기[편집]
진공 축전기(vacuum capacitor)란 유전체를 사용하지 않고 진공관과 같은 진공용기 속에 전극을 마주놓은 축전기이다. 진공 속에서는 글로방전이 발생하지 않고 대기 속의 습도·탄산가스 등의 영향이 없으므로 내전압(
공기 축전기[편집]
공기 축전기(air capacitor)란 유전체로서 공기 자체를 사용하는 축전기이다. 밀봉하여 건조공기를 충전하면 시간에 따른 변화가 적으므로 이를 표준용으로 사용한다. 휴대용 이외의 라디오 AM수신기에 가변용량형 공기축전기가 사용된다. 얇은 판으로 된 금속극판이 공기 속의 음향으로 진동하면 두 금속판 사이 거리가 달라져 용량값이 변동한다. 이것을 억제하기 위해 보통 극판을 상호 결합해서 기계적 강도를 크게 한다.
금속화 종이 축전기[편집]
금속화 종이 축전기란 파라핀 등을 스며들게 한 얇은 종이의 한쪽 면에 아연·알루미늄 등의 금속을 높은 진공 속에서 증발시켜 부착시킨 금속화종이를 2장을 포개서 감은 축전기이다. MP콘덴서라고도 한다. 얇은 금속막이 전극이 되고 그 사이에 1장의 종이가 절연물로서 끼워져 여러 층으로 쌓인 구조의 축전기가 된다. 전극이 얇고 원통으로 감은 구조로 표면적이 넓어서 소형 축전기를 만들기 쉽다. 전자부품에 쓰는 원통형 축전기는 이 방식을 사용한다. 하지만 전극이 대단히 얇기 때문에 종이의 작은 구멍에서 절연파괴가 일어나기 쉽다.
전해 축전기[편집]
극성이 있으며, 띠 있는 쪽이 음극이다. 보통 용량과 정격전압이 숫자로 씌어 있다. 누설전류가 조금 있으며, 초고역에서의 주파수 특성이 좋지 않다.
마일러 축전기[편집]
유전체로 폴리에스테르 등이 사용된다. 일반적으로 다른 종류보다 저렴해서 많이 사용된다.
세라믹 축전기[편집]
크기가 작고 납작하며 유전체로 세라믹이 사용된다. 고주파를 잘 흐르게 하므로 고주파 필터에 사용될 수 있다. 일례로 RC 자동차 모터와 병렬로 연결하면 브러시로부터 발생하는 채터링을 접지로 보내는 역할을 하기 때문에 전파 간섭을 막을 수 있다.
탄탈륨 축전기[편집]
유전체로 탄탈럼 합금을 사용한 것. 전해 콘덴서와 유사하게 극성을 가지고 있으며, 비교적 쉽게 큰 용량을 만들수 있다. 특성은 전해 콘덴서보다 매우 뛰어나지만, 내압이 작다는 단점이 있다.
전기용량[편집]
평행한 축전기의 두 극판 사이의 거리가 일정할 때 양 극단에 걸린 전압 가 클수록 더 많은 전하량 가 대전되게 된다. 여기서 와 가 서로 비례관계에 있다는 것을 알 수가 있는데 여기서 는 이들 사이의 들어가는 비례상수로서 역할을 한다. 그래서 양 극단에 걸린 전압 가 같을 때 전기용량 가 클수록 더 많은 전하가 대전된다고 할 수 있고
라고 쓸 수 있다.
평행판 축전기[편집]
두 개의 평행한 판이 서로 평행하게 나란하게 있는 축전기를 평행판 축전기라고 한다. 평행판 축전기의 면적을 , 서로 떨어져 있는 거리를 라고 하며 두판에 모두 전하 와 가 대전되어 있다고 하면
식이 성립한다. 그리고
식이 성립하므로,이 식을 기존의 전기용량 식
에다가 대입하면
이 성립하게 되고 평행판에서의 전기용량
를 알 수가 있다.
원통형 축전기[편집]
원통형 축전기는 반지름이 다른 두개의 동축(
이 성립한다. 이 식을 전기장 에 대해서 풀면
가 나오고
윗식을 사용해서 정리하면
를 얻는다.
를 얻는다.
구형 축전기[편집]
구형 축전기란 반지름이 서로 다른 두 구형껍질의 금속판으로 구성된 축전기다. 이 두 반지름 사이에 가우스 면을 잡으면
가 된다. 이 식을 다시 E에 대해서 풀면
나오고 위의 원통형 축전기와 마찬가지로 풀어보면
를 얻는다. 이제 Q=CV 이므로 C에 대해서 정리하면
처럼 전기용량을 구할 수 있다.
이 밖에도, 구면 하나로만 이루어진 "축전기"도 자기 전기 용량(self-capacitance)을 가지는데, 다음과 같다.
- .
여기서 는 구의 반지름이다.
축전기의 연결[편집]
직렬 연결[편집]
위의 그림과 같이 축전기가 직렬로 연결되어 있으면 각 축전기는 동일한 전하량을 갖는다. 왜냐하면 에 왼쪽 금속판에 (-)전지가 연결되어 있어 (-)전하를 띄면 의 오른쪽 판이 (+)전하를 띄게 되는데, 이 의 오른쪽 판이 왼쪽 금속판에 다시 (-)전하를 띄게 만들기 때문이다. 또한 각 축전기마다 동일한 전하를 가지고 있으므로 전체 축전기에 걸리는 전압은 각 축전기에 걸리는 전압의 합과 같다. 직렬 연결된 축전기의 합성 전기용량을 구해 보자, 먼저 각 축전기마다 동일한 전하량을 가지고 있으므로
이다. 전체 축전기의 전압은 세 축전기 전압의 합이므로
이고, 전체 합성 전기용량은
이것을 다시 풀어쓰면
가 나온다.
병렬 연결[편집]
위의 그림처럼 축전기가 병렬로 연결돼 있고 전지가 연결되어 있으면 각 축전기의 극판에 전지의 단자들이 모두 직접 연결되어 있다.그래서 각각의 축전기에는 동일한 전압 가 걸리게 되고 그에 따라 전하가 대전된다. 다시 정리하자면 병렬연결된 축전기에 전압 가 걸릴 때 전압 는 각 축전기에 동일하게 걸리고 축전기에 저장된 총 전하량은 각 축전기에 걸린 전하량의 합과 같다. 병렬 연결된 축전기의 합성 전기용량을 구해보자. 먼저, 각 축전기의 전하를 구하면
이다. 총전하량은 각 축전기의 걸린 전하량의 합이므로
이다. 그러므로 합성 전기용량은
로 쓸 수 있다.
축전기에 저장된 에너지[편집]
축전기에 저장된 전기적 위치 에너지를 구하기 위해서 대전되지 않은 하나의 축전기를 생각해보자. 대전되지 않은 축전기의 한 극판에서 다른 극판으로 전자를 옮긴다고 할 때는 일이 필요하다. 그런데 전하를 옮길 때마다 축전기에는 전기장이 생겨 점점 더 많은 일이 필요하게 된다. 어느 한 순간에 한 극판에서 다른 극판으로 전하량 를 옮긴다고 하자. 이때 양 극판의 전압차는 이고, 추가로 의 전하를 옮긴다고 하면 필요한 일은
이다. 그러므로 부터 까지 이동시키는데 한 일의 양은
이다. 이 일이 전기적 위치 에너지 U로 축전기에 저장되므로
이다. 전하 대신 전압 로 쓰면
이 된다.
같이 보기[편집]
각주[편집]
- ↑ 한국물리학회. “물리용어 조정안”. 2014년 7월 1일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2010년 11월 6일에 확인함.
- ↑ “콘덴서”. 《표준국어대사전》. 국립국어원. 2020년 9월 28일에 확인함.