소개
두 개의 분리된 도체 사이에 전기 전압이 존재할 때마다, 그 도체 사이의 공간 내에 전기장이 존재합니다. 기본 전자공학에서 우리는 회로와 관련된 전압, 전류, 저항 의 상호 작용을 연구하는데 , 이는 전자가 이동할 수 있는 전도 경로입니다. 그러나 우리가 장에 대해 이야기할 때, 우리는 빈 공간에 퍼질 수 있는 상호 작용을 다루고 있습니다.
인정하건대, "필드"라는 개념은 다소 추상적입니다. 적어도 전류의 경우, 도체 내의 원자핵 사이를 전자라는 작은 입자가 움직이는 것을 상상하는 것은 그렇게 어렵지 않지만, "필드"는 질량조차 없으며, 물질 내에 존재할 필요도 전혀 없습니다.
추상적인 성격에도 불구하고, 우리 대부분은 적어도 자석의 형태로 자기장을 직접 경험했습니다. 자석 한 쌍을 가지고 놀면서 상대적인 방향에 따라 서로를 끌어당기거나 밀어내는 것을 본 적이 있습니까? 자석 한 쌍 사이에는 부인할 수 없는 힘이 있으며, 이 힘은 "실체"가 없습니다. 질량도, 색도, 냄새도 없으며, 자석 자체에 가해지는 물리적 힘이 없다면 우리 몸에 전혀 감각이 없을 것입니다. 물리학자들은 자석의 상호 작용을 자석 사이의 공간에 있는 자기장 의 관점에서 설명합니다 . 철분을 자석 근처에 놓으면 자기장의 선을 따라 방향을 정해 시각적으로 자기장의 존재를 나타냅니다.
전기장
이 장의 주제는 자기장이 아니라 전기장(그리고 이를 활용하는 커패시터라는 장치)이지만, 두 가지에는 많은 유사점이 있습니다. 아마도 여러분도 전기장을 경험했을 것입니다. 이 책의 1장은 정전기에 대한 설명과 왁스와 양모와 같은 물질이 서로 마찰될 때 물리적 인력을 생성하는 방법에 대한 설명으로 시작되었습니다. 다시 말하지만, 물리학자들은 이 상호 작용을 두 물체의 전자 불균형으로 인해 생성되는 전기장의 관점에서 설명할 것입니다. 두 지점 사이에 전압이 존재할 때마다 그 지점 사이의 공간에 전기장이 나타난다고만 말하면 됩니다.
필드 포스와 필드 플럭스
장은 두 가지 척도가 있습니다 . 장력 과 장 플럭스 입니다 . 장력 은 장이 특정 거리에 걸쳐 가하는 "밀어내기"의 양입니다 . 장 플럭스 는 공간을 통한 장의 총량 또는 효과입니다 .장력과 플럭스는 각각 도체를 통과하는 전압("밀어내기")과 전류(흐름)와 대략 유사하지만, 장 플럭스는 완전히 빈 공간(전자와 같은 입자의 움직임 없이)에서 존재할 수 있는 반면 전류는 움직일 수 있는 자유 전자가 있는 곳에서만 발생할 수 있습니다.장 플럭스는 전자의 흐름이 저항에 의해 방해받을 수 있는 것처럼 공간에서 방해받을 수 있습니다. 공간에서 발생하는 장 플럭스의 양은 적용된 장력의 양에 비례하며 플럭스에 대한 방해 양으로 나눕니다. 전도성 물질의 유형이 도체의 전류 에 대한 비저항을 지시하는 것처럼 두 도체를 분리하는 절연 물질의 유형은 장 플럭스에 대한 특정 방해를 지시합니다.
일반적으로 전자는 같은 양의 전자가 빠져나갈 경로가 없으면 도체에 들어갈 수 없습니다(관 속의 구슬 비유를 기억하시나요?). 이것이 연속 전류가 발생하려면 도체가 원형 경로(회로)로 서로 연결되어야 하는 이유입니다. 그러나 이상하게도, 다른 도체에 비해 공간에서 전기장이 발생하도록 허용하면 빠져나갈 경로 없이도 여분의 전자가 도체에 "압착"될 수 있습니다. 도체에 추가된 여분의 자유 전자의 수(또는 제거된 자유 전자의 수)는 두 도체 사이의 전계 플럭스 양에 직접 비례합니다.
커패시터 전기장
커패시터 는 이러한 현상을 이용하도록 설계된 부품으로, 두 개의 전도성 판(일반적으로 금속)을 서로 가까이에 배치합니다. 다양한 스타일의 커패시터 구조가 있으며, 각각 특정 정격 및 용도에 적합합니다. 매우 작은 커패시터의 경우, 절연 재료를 사이에 둔 두 개의 원형 판으로 충분합니다. 더 큰 커패시터 값의 경우, "판"은 금속 호일 스트립으로, 유연한 절연 매체 주위에 샌드위치로 끼워서 컴팩트하게 말아둘 수 있습니다. 가장 높은 정전용량 값은 두 개의 전도성 표면을 분리하는 미세한 두께의 절연 산화물 층을 사용하여 얻습니다. 그러나 어떤 경우든 일반적인 아이디어는 동일합니다. 절연체로 분리된 두 개의 도체입니다.
커패시터의 회로 기호는 매우 간단합니다. 두 개의 짧고 평행한 선(판을 나타냄)이 틈으로 분리된 것에 불과합니다. 와이어는 다른 구성 요소에 연결하기 위해 각 판에 부착됩니다. 커패시터의 오래되고 쓸모없는 회로 기호는 겹치는 판을 보여 주었는데, 이는 실제로 대부분의 커패시터의 실제 구조를 나타내는 더 정확한 방법입니다.
커패시터의 두 판에 전압이 인가되면 두 판 사이에 집중된 전계 플럭스가 생성되어 두 판 사이에 상당한 자유 전자(전하) 차이가 발생합니다.
전기장은 인가된 전압에 의해 형성되므로, 여분의 자유 전자는 음극 도체에 모이게 되고, 자유 전자는 양극 도체에서 "강탈"됩니다. 이 차등 전하는 커패시터에 에너지를 저장하는 것과 같으며, 두 판 사이의 전자의 잠재적 전하를 나타냅니다. 커패시터의 반대 판에서 전자의 차이가 클수록, 필드 플럭스가 커지고 커패시터가 저장하는 에너지의 "전하"가 커집니다.
커패시터는 축적된 전자의 잠재 에너지를 전기장의 형태로 저장하기 때문에 회로에서 저항기(단순히 열의 형태로 에너지를 소산시킴)와는 상당히 다르게 동작합니다. 커패시터의 에너지 저장은 판 사이의 전압과 이 장에서 나중에 논의할 다른 요인의 함수입니다. 커패시터가 전압(두 리드 사이의 전위차)의 함수로 에너지를 저장하는 능력은 전압을 일정한 수준으로 유지하려는 경향을 초래합니다. 즉, 커패시터는 전압 의 변화 에 저항하는 경향이 있습니다 . 커패시터의 전압이 증가하거나 감소하면 커패시터는 전압 변화의 소스에서 전류를 끌어오거나 전류를 공급하여 변화에 반대하여 "저항"합니다.
커패시터에 더 많은 에너지를 저장하려면, 커패시터 양단의 전압을 높여야 합니다. 즉, (-)판에 더 많은 전자를 추가하고 (+)판에서 더 많은 전자를 빼야 하므로 해당 방향으로 전류가 필요합니다. 반대로, 커패시터에서 에너지를 방출하려면, 커패시터 양단의 전압을 낮춰야 합니다. 즉, (-)판에 있는 과잉 전자 중 일부를 (+)판으로 되돌려야 하므로 다른 방향으로 전류가 필요합니다.
아이작 뉴턴의 제1 운동 법칙("운동하는 물체는 계속 움직이는 경향이 있고, 정지한 물체는 계속 정지하는 경향이 있다")이 질량이 속도 변화에 반대하는 경향을 설명하는 것처럼, 커패시터가 전압 변화에 반대하는 경향을 다음과 같이 설명할 수 있습니다. "충전된 커패시터는 계속 충전되는 경향이 있고, 방전된 커패시터는 계속 방전되는 경향이 있다." 가설적으로, 건드리지 않은 커패시터는 그대로 둔 전압 전하 상태를 무한정 유지합니다. 외부 전류원(또는 드레인)만이 완벽한 커패시터에 저장된 전압 전하를 변경할 수 있습니다.
그러나 실제로 커패시터는 전자가 한 판에서 다른 판으로 흐르기 위한 내부 누설 경로로 인해 결국 저장된 전압 전하를 잃게 됩니다. 커패시터의 특정 유형에 따라 저장된 전압 전하가 자체적으로 소멸되는 데 걸리는 시간은 오래 걸릴 수 있습니다 ( 커패시터를 선반에 놓아두면 몇 년!).
커패시터의 전압이 증가하면 나머지 회로에서 전류가 흐르고 전력 부하 역할을 합니다. 이 상태에서 커패시터는 충전 중이라고 합니다. 전기장 에 저장되는 에너지 양이 증가하기 때문입니다 . 전압 극성에 대한 전자 전류의 방향을 주목하세요.
반대로, 커패시터의 전압이 감소하면 커패시터는 나머지 회로에 전류를 공급하여 전원으로 작용합니다. 이 상태에서 커패시터는 방전 중이라고 합니다 . 전기장에 저장된 에너지 저장량은 에너지가 나머지 회로로 방출됨에 따라 감소합니다. 전압 극성에 대한 전류 방향을 주목하세요.
전압원이 충전되지 않은 커패시터에 갑자기 인가되면(전압이 갑자기 증가함), 커패시터는 그 소스에서 전류를 끌어와서 에너지를 흡수하고, 커패시터의 전압이 소스와 같아질 때까지 계속됩니다. 커패시터 전압이 이 최종(충전) 상태에 도달하면 전류는 0으로 감소합니다. 반대로 부하 저항이 충전된 커패시터에 연결되면 커패시터는 부하에 전류를 공급하고, 저장된 모든 에너지를 방출하고 전압이 0으로 감소합니다. 커패시터 전압이 이 최종(방전) 상태에 도달하면 전류는 0으로 감소합니다. 충전 및 방전이 가능하다는 점에서 커패시터는 2차 전지와 다소 비슷하게 작동한다고 생각할 수 있습니다.
판 사이의 절연 재료의 선택은 앞서 언급했듯이 판에 인가된 주어진 양의 전압으로 얼마나 많은 전계 플럭스(따라서 얼마나 많은 전하)가 발생하는지에 큰 영향을 미칩니다. 이 절연 재료가 전계 플럭스에 영향을 미치는 역할 때문에 특별한 이름이 있습니다 . 유전체 입니다. 모든 유전체 재료가 동일한 것은 아닙니다. 재료가 전기장 플럭스의 형성을 억제하거나 촉진하는 정도를 유전체의 유전율 이라고 합니다.
주어진 전압 강하량에 대해 에너지를 저장하는 커패시터의 능력을 측정하는 것을 커패시턴스 라고 합니다 . 놀랍지 않게도 커패시턴스는 전압 변화에 대한 저항 강도(주어진 전압 변화율에 대해 얼마나 많은 전류를 생성할 것인가)를 측정하는 것이기도 합니다. 커패시턴스는 대문자 "C"로 기호적으로 표시되며, 패럿 단위로 측정되며 "F"로 약칭됩니다.
관례적으로, 어떤 이상한 이유에서인지, 큰 용량을 측정할 때 미터법 접두사 "마이크로"를 선호해 왔고, 그래서 많은 커패시터가 혼란스러울 정도로 큰 마이크로패럿 값으로 평가됩니다. 예를 들어, 내가 본 대형 커패시터 중 하나는 330,000 마이크로패럿으로 평가되었습니다!! 왜 330 밀리패럿이라고 말하지 않습니까? 모르겠습니다.
더 이상 쓰이지 않는 커패시터의 이름
커패시터의 구식 명칭은 콘덴서 또는 콘덴서 입니다 . 이 용어는 새로운 책이나 회로도(제가 아는 한)에는 사용되지 않지만 오래된 전자 문헌에서는 접할 수 있습니다. 아마도 "콘덴서"라는 용어의 가장 잘 알려진 용도는 자동차 엔지니어링에서 전기 기계식 점화 시스템의 스위치 접점("포인트"라고 함)에서 발생하는 과도한 스파크를 완화하기 위해 이 이름으로 불리는 작은 커패시터를 사용한 것입니다.
검토:
- 커패시터는 전압 변화에 대응하여 변화를 반대하는 방향으로 전류를 공급하거나 끌어옵니다.
- 커패시터에 증가하는 전압이 가해지면 부하 역할을 합니다 . 즉, 에너지를 저장하면서 전류를 끌어옵니다(전류는 양(+)으로 들어가 음(-)으로 나가는 저항기처럼).
- 커패시터의 전압이 감소하면 소스 역할을 합니다 . 즉, 저장된 에너지를 방출하면서 전류를 공급합니다(전류는 양극에서 나와 음극으로 가는데, 마치 배터리와 같습니다).
- 전기장의 형태로 에너지를 저장하는 커패시터의 능력(그리고 결과적으로 전압의 변화에 반대하는 능력)을 커패시턴스 라고 합니다. 패럿 (F) 단위로 측정합니다 .
- 커패시터는 예전에는 콘덴서( condenser) 또는 "콘덴서(condensor)" 라는 용어로도 널리 알려져 있었습니다 .