2020. 9. 15. 10:38ㆍ전기공부/전자기학
5. 커패시터의 전압, 전류 그래프 확인
커패시터는 양단이 금속, 중간이 유전체로 이루어져 있다.
커패시터 양단에 전원이 인가되면 유전체의 양성자와 전자가 전원의 극을 따라 양쪽으로 나눠지고 '전기쌍극자'를 이룬다.
유전체 내부가 전기쌍극자를 이루면서 전기쌍극자의 +극은 -전하를 이끌고, 전기쌍극자의 -극은 +전하를 이끌게 된다.
이 과정을 통해 커패시터는 충전을 할 수 있었다.
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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 역할
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커패시터가 충전과 방전을 하는 과정에서 전압과 전류가 어떻게 바뀌는지 그래프를 통해서 확인해보자.
1. 커패시터가 '충전'할 때의 전압과 전류
2. 커패시터가 '방전'할 때의 전압과 전류
1. 커패시터가 '충전'할 때의 전압과 전류
(1) 커패시터의 전압 그래프
아래의 커패시터 회로에 100V전원을 사용한다고 해보자.
스위치를 닫게 되면 커패시터에 전압이 걸리기 시작한다.
그런데 스위치를 닫자마자 커패시터에 100V전압이 걸리는 건 아니다.
커패시터에 100V가 걸리기까지는 시간이 걸린다. 아래처럼 서서히 올라가는 그래프를 띈다.
이유는 앞에서 확인했던 커패시터의 원리를 통해 알 수 있다.
커패시터 양단에 전압이 걸리면서 구속전자는 +양전하를 이끌고
양성자는 -음전하를 이끌게 되는데 이 과정이 한 번에 일어나지 않는다. 위와 같은 원자가 아주 많기 때문에
이런 결합 과정은 서서히 진행된다. 그래서 커패시터에 걸리는 전압이 100V가 되기까지 시간이 걸린다.
처음 스위치가 닫혔을 때 결합 과정이 가장 많이 일어나고
시간이 지나면서 전하와 결합할 수 있는 양성자, 구속전자의 양이 줄어든다.
그래서 초기에 전압상승이 가장 빠르고 시간이 갈수록 전압상승 기울기가 줄어드는 걸 확인할 수 있다.
모든 결합이 끝나서 포화되면 더 이상 전압상승이 이루어지지 않고 유지된다.
(2) 커패시터의 전류 그래프
회로의 스위치가 닫히는 순간 커패시터 양단에 전압이 걸리기 시작하면서
커패시터 내부의 유전체의 양성자는 전원의 -극 쪽으로, 유전체의 '구속전자'는 +극 쪽으로 이동하고
양성자는 -전하를 끌어오고, '구속전자는 +전하를 끌어온다.
유전체 안에서 이렇게 '구속전자'가 +극 쪽으로 움직이는 것을 '변위'라고 하고
이때 전류가 흐르게 된다. 이 전류를 '변위전류'라고 한다.
'도체'의 경우에는 원자에서 '자유전자'가 떨어져 나오기 쉽다. 이 자유전자가 도선에서 이동하면 이게 '전류'이다. 이게 우리가 일반적으로 알고 있는 전류이다. 하지만 이것만이 전류가 아니다.
'부도체'인 '유전체'는 원자에서 전자가 떨어져 나가지 않는다. 그래서 '구속전자'라고 부른다.
'자유전자'처럼 도선을 여기저기 돌아다니는 것 외에도 '구속전자'가 유전체내에서 +극 쪽으로 이동하는 것도 '전류'이다.
스위치를 처음 닫은 시점에 위에서 말한 것처럼 유전체의 양성자, 구속전자가 가장 많이 전하와 결합하기 때문에 변위가 가장 많이 발생한다. 그러므로 '변위전류'의 양이 많다.
그리고 시간이 갈수록 유전체의 양성자, 구속전자가 포화되면서 전하와 결합할 수 있는 양이 줄어든다. 구속전자의 이동이 줄어들기 때문에 '변위'의 양이 줄어들면서 전류의 양이 서서히 감소한다.
그리고 완전히 유전체의 양성자, 구속전자가 포화되어 전하와 결합할 수 없는 시점에 더 이상 구속전자가 이동하지 않게 되어 전류가 0이 된다.
그래서 커패시터 충전시 전류그래프는 지수함수 감소 모양을 보인다.
2. 커패시터가 '방전'할 때의 전압과 전류
커패시터에 100V가 걸려있을 때 스위치를 열게 되면 방전이 이루어지기 시작한다.
100V였던 전압은 아래와 같이 지수함수로 감소하게 된다.
구속전자와 붙어있던 +양전하가 떨어져 나가면서 커패시터의 금속쪽으로 치우쳐져 있던 구속전자는 다시 제자리로 돌아간다.
이런 역변위 과정에서도 구속전자가 움직이기 때문에 전류가 발생한다.
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