커패시터의 물리적 특성

커패시터의 물리적 특성



앞에서 인덕터(Inductor)는 전류의 급격한 변화를 억제하는 소자였다. L의 값이 커지면 스위치를 ON 할 때 원하는 전류값을 얻기까지의 시간이 길어지고, 스위치를 OFF 할 때 전류가 0이 되기까지의 시간이 길어졌다.

인덕터가 전류의 급격한 변화를 억제했다면 커패시터(Capacitor)는 전압의 급격한 변화를 억제하는 소자이다.

위의 회로는 R-C 직렬회로이다. 현재 스위치가 OFF 되어 있는 상태로 전압이 걸려있지 않다.

스위치를 ON시키게 되면 전압이 걸리게 되는데 이때 전압은 한 번에 100V가 되는 게 아니라 서서히 올라가다가 어느 정도 시간 후에 100V에 도달하게 된다. C값이 커지면 커질수록 100V까지 도달하는 시간이 길어진다. (이때, 100V까지 도달하는 시간을 시정수(τ)라고 하고 시정수(τ) = R x C로 표현 가능하다.)

위의 그래프처럼 C값이 커지면 100V까지 도달하는 시간이 길어진다.

커패시터 구조

위의 그림처럼 커패시터(Capacitor)는 금속체 사이에 유전체가 채워져 있는 형태이다.

커패시터 유전체 분극과정

이상적인 유전체는 자유전자가 없고 구속 전자로 이루어져 있다. 금속판 양단에 전압이 걸리면서 위의 그림처럼 위의 금속체가 - , 아래 금속체가 + 전압을 띄게 되면 유전체의 구속 전자들은 +로 이동하게 되고 유전체의 +는 금속판의 -극 쪽으로 서서히 이동하게 된다. 시간이 지나고 나면 유전체의 +극들이 금속판의 -극쪽에 대부분 가게 되고, 유전체의 -극들이 금속판의 +극쪽에 대부분 가게 되는데 이를 분극이라고 하며 '전기쌍극자'라고 부른다.

회로상에서 커패시터를 살펴보자.

커패시터 동작

전원에 +,- 전압이 생성되면서 상단 도선의 - 전하들은 전원의 +극 쪽으로 이동하게 된다. 그리고 하단 도선의 - 전하들은 전원의 -극과 멀어지는 방향으로 이동하게 된다. 그러면 커패시터의 금속판 상단은 +극이 되고 금속판 하단은 - 극이 된다.

커패시터 동작

그러면 커패시터(Capacitor)의 유전체가 서서히 이동하기 시작한다. 위에서 봤던 것처럼 +금속판 쪽으로는 전하가 움직이고 -금속판 쪽으로는 +양전하들이 움직인다. 이 과정은 서서히 100V 전압이 모두 걸릴 때까지 진행된다.

C값이 커질수록 100V까지 도달하는데 시간이 길어지고 정전용량 C = ε x (A/d)로 표현 가능하다.
(ε =유전율, A = 금속 면적, d= 금속 사이의 거리)
금속 면적이 커질수록, 유전율이 큰 물질일수록, 금속사이의 거리가 긴 물질일수록 C(정전용량) 이 커진다.