12. '커패시터'와 '커패시턴스'는 무엇인가?

12. '커패시터'와 '커패시턴스'는 무엇인가?

전기소자(R,L,C) 중 커패시터(C)를 공부할 때 커패시턴스(Capacitance)라는 용어가 나온다.
커패시턴스가 어떤 걸 의미하는지 알아보자.

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1. 커패시터(Capacitor)
2. 커패시턴스(Capacitance)
3. 직류(DC)와 교류(AC)에서 커패시터의 역할

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1. 커패시터(Capacitor)

커패시터(Capacitor)는 전자회로에서 전하를 모으는 장치이다.
구조는 금속판 사이에 유전체가 채워진 형태이다.

커패시터(Capacitor)의 구조

커패시터의 충전과정은 앞에서 자세히 알아보았다.
https://yyxx.tistory.com/147

18. 커패시터의 원리(충전, 방전 과정)

다시 한 번 충전과정을 간단히 확인해보자.

스위치가 off 상태여서 전원이 커패시터에 아무 영향을 주지 않을 때는
음전하와 양전하가 짝을 이루고 있는 안정적인 '중성상태'이다.

커패시터(Capacitor) 충전회로 스위치 off 상태

이런 안정적인 상태에서는 전류가 흐르지 않는다.


○ 스위치 ON

커패시터(Capacitor) 충전회로 스위치 ON

스위치를 ON시키면 전원의 + , - 극에 의한 전위차가 생긴다.
도선과 커패시터 금속판에 있던 음전하들이 움직이기 시작한다.
+극은 -극을 당기고
-극은 -극을 밀어내므로
전원의 +극 쪽으로 음전하들이 이동한다.
전원의 -극 쪽에 있던 음전하들은 커패시터 금속판 아래쪽으로 이동한다.


음전하들의 이동은 서서히 이루어지며 커패시터 내부 유전체가 포화되고
전원의 100V가 커패시터 양단에 걸리게 되면 충전이 종료된다.

전원 전압이 커패시터(Capacitor)에 모두 걸리면 충전 완료

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2. 커패시턴스(Capacitance)

위의 과정을 거쳐 커패시터에 전하가 서서히 축적되면서 충전이 진행되는데
커패시터가 축적할 수 있는 전하의 양은 정해져져있다.

커패시터가 축적할 수 있는 전하의 양은 어떤 것에 영향을 받을까?
-> 커패시터의 정전용량과 전압의 영향을 받는다.

커패시터가 축적할 수 있는 전하의 양은 아래와 같이 표시할 수 있다.
전하의 양(Q) = 콘덴서의 정전용량(C) x 전압(V)

커패시터가 축적할 수 있는 전하의 양 = 콘덴서의 용량 x 전압

커패시터(콘덴서) 마다 얼마나 전하를 축적할 수 있는지 용량이 정해져 있다.
이 그릇의 크기를 크게 하면 더 많은 전하를 축적할 수 있다.

또한 커패시터에 걸리는 전압의 크기를 크게 할수록 더 많은 전하를 축적시킬 수 있다.
더 강한 전압이면 커패시터의 그릇에 더 강한 압력으로 전하를 채워넣는다고 보면 된다.


아래와 같이 두 개의 커패시터가 연결된 회로를 비교해보자.

커패시턴스(Capacitance)가 다른 두 커패시터(Capacitor)

똑같은 전원 10V를 입력했는데
커패시터1에서는 전하 100개가 축적되었고
커패시터2에서는 전하 1000개가 축적되었다.

커패시터2의 저장능력이 커패시터1의 저장능력보다 크다고 할 수 있다.
이런 경우 커패시터2의 커패시턴스(Capacitance)가 더 크다고 말한다.

커패시턴스(Capacitance)는 물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량이다. 전기용량 또는 정전용량이라고도 한다. 단위는 패럿(F)을 사용한다.
[F]은 아주 큰 단위기이 때문에 1[F]도 아주 큰 숫자이다.
그래서 커패시터를 설명할 때는 1[uF] - 1마이크로패럿, 1[nF] - 1나노패럿, 1[pF] - 1피코패럿 과 같은 작은 단위들도 자주 사용한다.

마이크로, 나노, 피코

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3. 직류(DC)와 교류(AC)에서 커패시터의 역할

전기는 시간에 따라 크기와 방향에 변화가 없는 직류전기(DC)와
시간에 따라 크기와 방향이 바뀌는 교류전기(AC)로 나눠진다.

직류전기(DC)와 교류전기(AC)

DC와 AC가 흘렀을 때 커패시터의 역할에는 차이가 있다.



(1) DC 전원

직류전원은 + , - 극이 일정하게 유지되기 때문에 한 방향으로 전류가 흐른다.

직류(DC)에서 커패시터(Capacitor) 전하 축적

그러면 위에서 봤던 커패시터 충전과정처럼 커패시터의 위쪽 금속판에는 양전하, 아래쪽 금속판에는 음전하가 모이면서 충전이 이루어진다.
직류(DC)에서 커패시터는 저장하는 기능을 함을 알 수 있다.



(2) AC 전원

교류(AC) 전원은 + ,-가 시간에 따라 계속 바뀐다. 그래서 전류의 방향이 계속 바뀐다.

교류전원(AC)은 크기와 방향이 계속 바뀜

전류가 + 방향으로 흐를 때는 커패시터의 금속판 윗부분에 양전하가 몰리고 아랫부분에는 음전하가 몰리는데
전류가 - 방향으로 바뀌면서 커패시터 금속판 윗부분에 음전하가 몰리고 아랫부분에는 양전하가 몰린다.

교류전원(AC)에서 커패시터(Capacitor) 충전못하고 리액턴스 역할

시간에 따라 계속 방향이 바뀌므로 커패시터에 전하가 축적되지 못한다.

교류(AC)에서 커패시터는 저장하는 역할을 하지는 못하나
전류의 흐름을 방해하는 리액턴스의 역할은 할 수 있다.


커패시터 그래프를 보면 전압변화율에 따라 전류를 억제할 수 있는 리액턴스(X) 역할을 함을 볼 수 있다.

커패시터(Capacitor) 충전 전압,전류 그래프

커패시터 충전 초기에 전압변화율이 클 때는 전류가 가장 많이 흐르고
커패시터 충전 말에 전압변화율이 작아지면서 전류도 작아짐을 볼 수 있다.
https://yyxx.tistory.com/148

19. 커패시터가 리액턴스(X)로 작용하는 이유

커패시터 리액턴스를 용량성리액턴스(Xc)라고 한다.
용량성 리액턴스(Xc) = 1/Wc (Wc = 각주파수)

용량성 리액턴스(Xc) = 1/Wc = 1/2πf 이다. (f = 주파수)

주파수(f)와 용량성 리액턴스(Xc)는 반비례하므로 주파수가 커질수록 용량성 리액턴스는 작아진다.
주파수(f)가 커지면 전압변화율이 커지고 전류가 많이 흐르게 된다.
(직류에서는 주파수가 0Hz이므로 전기의 흐름을 방해하는 정도가 최대치가 된다. 그래서 직류에서는 커패시터가 전기를 흐르지 않게 하는 절연체가 된다.)