4. '유전체'의 역할(커패시터 원리)

4. '유전체'의 역할(커패시터 원리)

커패시터는 전기에너지를 충전하는 역할을 한다.
이런 역할을 할 수 있는 이유는 커패시터 금속판 사이에 유전체가 채워져 있기 때문인데
유전체가 어떤 역할을 하기에 커패시터의 충전을 가능하게 하는지 알아보자.

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1. 절연체와 유전체의 공통점과 차이점
2. 유전체의 원리(커패시터 충전 원리)

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1. 절연체와 유전체의 공통점과 차이점

절연체란?
전기나 열을 전하지 않는 물질이다. 부도체라고도 부른다.
유리, 에보나이트, 다이아몬드, 고무 등이 대표적인 전기 부도체이며 소켓이나 플러그 등 전기기구의 손잡이는 다루기에 안전하도록 절연체로 만들어져 있다.
(참고로 절연파괴란 전기적으로 분리시켜놨는데 다시 통해버렸다는 걸 의미한다.)


유전체는
절연체와 같은 재료라는 공통점이 있다.
그러나 사용목적이 다르다는 차이점이 있다.
절연체가 전기적 분리를 목표로 했다면
유전체는 전기를 유도하는 물질이다. 전기를 끌어오도록 매개하는 물질이 유전체이다.
전기를 끌어오는 것 = 전하를 끌어오는 것을 목표로 한다. (전하가 전기에너지를 가지고 있으므로)

커패시터 구조

커패시터는 금속판 사이에 유전체가 채워져 있는 형태이다.

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2. 유전체의 원리(커패시터 충전 원리)

유전체는 전하를 끌어오는 역할을 한다는 것을 알았다.
어떤 원리로 전하가 끌려오게 되는지 알아보자.

아래의 회로는 전압원(E), 스위치(sw), 커패시터(C)로 이루어져 있다.

커패시터 회로

① 현재 스위치가 열려있으므로 커패시터에 전압이 걸리지 않고 커패시터의 유전체는 양성자4개, 전자4개로 중성상태이다.

스위치 off에서 커패시터 유전체 상태

② 스위치가 닫히는 순간 커패시터의 양단에 전원의 극 +, -가 걸린다.
유전체에서 전자(-)는 전원+극 쪽으로 끌려간다. 유전체에서 양성자(+)는 전원-극 쪽으로 끌려간다.

스위치 on 됐을 때 커패시터 유전체의 전자와 양성자의 이동

이때 유전체의 특성으로 전자(-)가 전원+극 쪽으로 끌려갈 뿐이지 '자유전자'가 되지 않는다. 즉 원자에서 전자가 떨어져 나가지 않는다.
이런 특성으로 유전체에서 전자를 '구속전자'라고 한다. 또한 이런 '구속전자'가 전원의 +극 쪽으로 끌려가는 것을 '변위'라고 한다.
양성자(+)는 무겁기 때문에 전원-극 쪽으로 조금 끌려간다.




③ 그러면 원자에서 한쪽이 양성자(+)로 이루어지고 한쪽이 전자(-)로 이루어지게 된다.
그러므로 크게 +, -로 아래와 같이 표현할 수 있다. 이걸 '분극'되었다고 표현한다.
또한 한쪽이+, 한쪽이-로 된 아래의 원자를 '전기쌍극자'라고 한다.

커패시터 유전체 전기쌍극자

④ 유전체 안에는 원자들이 아주 많다. 시간이 지나면서 유전체 안에 이런 '전기쌍극자'가 많이 생긴다.
유전체 중간에 있는 '전기쌍극자'끼리는 +,-가 만나면서 중화되어 상쇄되기 때문에 중간에는 전하가 없게 된다.

커패시터 유전체 전기쌍극자

⑤ 그리고 유전체의 전하는 유전체 양끝 표면에만 존재하게 된다.
이런 분극의 과정은 한순간에 이루어지는 게 아니라 시간을 두고 서서히 진행된다.
스위치를 닫는 순간 가장 많이 움직이고 그 이후에는 조금씩 줄어든다.

커패시터 유전체 전하 표면 존재

⑥ 유전체 양끝 표면에 위쪽은 +극이 형성되면서 -전하를 끌어오게 된다. 아래쪽은 -극이 형성되면서 +전하를 끌어오게 된다.
전하를 끌어오는 건 유전체 양끝 표면에 +,-극이 생성되는 동시에 이루어진다.
전하는 전기에너지이므로 이렇게 전하를 끌어오는 과정이 커패시터가 충전하는 과정이라고 할 수 있다.
이 과정은 포화될 때까지 진행된다.

커패시터 충전

커패시터는 이런 과정을 거쳐서 전기에너지를 충전하게 되는데
커패시터가 충전할 수 있는 전기에너지의 양은 유전체에 따라서 다르다.
유전체의 재료에 따라서 전기를 끌어올 수 있는 정도가 다르기 때문에 같은 크기 내에서도 정전용량을 키우려면 유전율이 큰, 같은 전압을 걸더라고 분극이 많이 되는 재료를 선택하는 게 유리하다.

▶커패시터(C)의 전압, 전류 그래프 확인
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5. 커패시터의 전압, 전류 그래프 확인