18. 커패시터의 원리(충전, 방전 과정)

18. 커패시터(Capacitor)의 원리(충전, 방전 과정)

전기회로에서 R,L,C 소자를 이해하는 것은 중요하다.
이 중 R(저항)과 L(인덕터)에 대해서는 앞에서 공부해보았다.
yyxx.tistory.com/130

1. '저항(Resistor)'과 '오옴의 법칙(Ohm's Law)'

yyxx.tistory.com/140

11. 인덕터(Inductor)의 원리, 전류억제

이번에는 C(커패시터)가 어떤 원리로 충전과 방전을 하는지 공부해보자.

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1. 커패시터의 충전 과정
2. 커패시터의 방전 과정

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1. 커패시터(Capacitor)의 충전 과정

커패시터는 금속판 사이에 유전체가 채워진 형태로 되어있다.

커패시터(Capacitor) 형태

전원 연결 시 여기에서 어떠한 변화가 생길까?
커패시터 회로에 전원을 연결하고 커패시터의 충전과정을 확인해보자.


1. 스위치가 열려 있을때는 중성상태이다.

커패시터(Capacitor) 충전 회로

도선의 양전하와 음전하가 짝을 맞추어 있고, 커패시터의 금속판과 유전체도 양전하와 음전하가 짝을 맞추어 있는 중성상태이다. 중성상태이므로 전기적인 힘을 띠지 않는, 안정적인 상태이다.



2. 이제 스위치를 닫아서 전원을 연결시켜보자.

커패시터 충전 과정(음전하의 이동, 변위)

그러면 전원에 +와 -극이 형성된다. 도선과 커패시터 금속판에서 짝을 이루며 안정적이었던 전하들이 전원에 맞춰 움직이기 시작한다.
전원의 +쪽으로는 음전하가 다가가게 되고, 전원의 -쪽에서는 음전하가 멀어져 커패시터 금속체로 향한다.
이런 음전하(전자)의 흐름이 도선에서 전류로 나타난다.
또한 중성상태가 아닌 전하 자체는 전기적인 힘을 가지고 있다.
그러므로 커패시터 금속판 상단에는 음전하가 없어지면서 양전하가 남게 되어 전기에너지가 생기고
커패시터 금속판 하단에는 음전하가 들어오면서 전기에너지가 생기게 된다.
이것이 곧 커패시터의 전압으로 측정된다.

그리고 커패시터 금속판 사이의 유전체안에서는 '변위'가 일어난다. 유전체의 전하들은 금속판 쪽으로 빠져나오지 못하지만 금속판의 음전하, 양전하에 맞춰서 변위가 일어나면서 '변위전류'가 발생하게 된다. 그림을 보면 금속체 상단 양전하가 한 개 늘어나고 금속체 하단 음전하가 한 개 늘어남에 따라 유전체의 음전하와 양전하가 분리되지는 않지만 극에 맞게 치우쳐지는 것을 볼 수 있다. 이것을 '변위'라하고 이 움직임이 '변위전류'로 나타난다.
자세한 변위 과정은 앞에서 공부한 걸 참조.
yyxx.tistory.com/110

4. '유전체'의 역할(커패시터 원리)

3. 이 과정은 커패시터의 유전체가 포화될 때까지 진행된다.

커패시터 충전 과정(유전체 포화)

유전체의 양성자와 구속전자가 금속판의 극에 맞게 서서히 움직여나가다가 어느 순간 포화가 된다. 그러면 커패시터는 전원의 전압인 100V를 모두 충전하게 되고 더 이상 도선과 커패시터에는 전류가 흐르지 않게 된다.
충전 초기에 움직이는 음전하가 가장 많고 충전이 끝나갈수록 점점 그 수가 줄어든다. 그렇기 때문에 충전속도는 초기에 가장 빠르다.

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2. 커패시터(Capacitor)의 방전 과정

충전된 커패시터에 부하를 연결해서 방전시켜보자.


1. 스위치가 열려있는 상태이므로 부하로 전류가 흐르지 않고 있다.

커패시터(Capacitor) 방전 회로

2. 스위치를 닫으면 커패시터의 금속판 상단은 +, 금속판 하단은 - 로 전위차가 발생하므로 전류가 흐르기 시작한다.

커패시터 방전 과정(음전하의 이동, 중성)

커패시터 금속판 하단의 전자들이 빠져나오면서 부하를 거쳐 금속판 상단으로 이동한다. 이 과정에서 전류가 발생하고 부하에서 에너지 소모가 생긴다. 또한 움직인 음전하가 양전하와 결합하면서 중성상태가 되기 때문에 커패시터의 양단은 전하를 잃으면서 전압이 점점 떨어진다.



3. 이런 과정은 천천히 이루어지며 커패시터의 전압이 0V가 될 때까지 서서히 이루어진다.

커패시터의 방전 과정(방전 완료)

이 과정이 모두 끝나면 커패시터의 상,하단 금속체와 도선의 양전하,음전하가 같은 개수만큼 짝을 이뤄 중성상태를 이루게 된다. 그리고 변위 되었던 커패시터 유전체 역시 모두 제자리로 돌아간다. 그러면 더 이상 전류가 흐르지 않고 커패시터 양단의 전압은 0V가 된다.
방전 초기에 움직이는 음전하 수가 가장 많고 방전이 끝나갈수록 그 수는 줄어든다. 그래서 방전속도는 초기에 가장 빠르고 갈수록 느려진다.