커패시터의 정전 용량 정의
작은 유리잔에는 적은 양의 물을 담을 수 있고, 큰 유리잔에는 더 많은 양의 물을 담을 수 있습니다. 유리잔의 부피가 클수록 더 많은 물을 담을 수 있습니다. 따라서 각 유리잔은 물을 담을 수 있는 용량 또는 크기를 가지고 있습니다. 유리잔처럼 콘덴서도 전기 전하와 전기적 위치 에너지를 저장할 수 있습니다. 콘덴서 전기 전하와 전기 위치 에너지를 저장하는 능력을 무엇이라고 부르는가? 정전 용량.
정전 용량에 영향을 미치는 요인
유리잔이 물을 담을 수 있는 용량은 유리잔의 부피에 의해 결정됩니다. 그렇다면 콘덴서의 경우, 콘덴서가 전기 전하를 저장할 수 있는 용량은 무엇에 의해 결정될까요?
옆 그림은 일정한 간격으로 떨어져 있는 두 개의 도체 판으로 구성된 간단한 콘덴서를 보여줍니다. 배터리와 같은 전압원에 연결하기 전에는 두 판 모두 전기적으로 대전되지 않은 상태입니다. 그런 다음 케이블을 사용하여 한쪽 판을 배터리의 양극에, 다른 쪽 판을 배터리의 음극에 연결합니다.
배터리의 양극에 연결되면 배터리의 양전하가 플레이트의 음전하를 띤 전자를 끌어당겨 전자가 배터리의 양극으로 이동하게 됩니다. 이로 인해 플레이트에는 전자가 부족해지고(음전하) 양성자가 과잉되어(양전하) 플레이트가 양전하를 띠게 됩니다.
판이 배터리의 음극에 연결되면, 판의 양전하는 배터리의 음극에 있는 음전하를 띤 전자를 끌어당겨 전자가 판으로 이동하게 합니다. 이로 인해 판에 전자가 과다하게 축적되어 음전하를 띠게 됩니다. 판과 배터리 사이에서 전자가 이동하는 과정은 두 판 사이의 전위차가 배터리의 두 극 사이의 전위차와 같아질 때까지 계속됩니다.
어떻게 하면 두 도체 판의 전하량을 증가시킬 수 있을까요? 다시 말해, 배터리의 양극에서 전자를 이동시키려면 어떻게 해야 할까요? 전자의 이동은 배터리 양극과 양극 사이의 전위차가 두 도체 사이의 전위차보다 클 때만 발생합니다. 각 도체 판의 전하량을 증가시키기 위해 전자가 다시 이동하려면, 사용하는 배터리를 전위차가 더 큰 다른 전원으로 교체해야 합니다. 전자의 이동은 전원의 전위차가 축전기의 전위차와 같아질 때 멈춥니다. 따라서 전원의 전위차가 축전기의 전위차보다 크면 축전기의 전위차 또한 더 커집니다.
위의 검토를 바탕으로, 각 도체판에 저장된 전하량이 클수록 두 도체판 사이의 전위차가 커진다는 결론을 내릴 수 있습니다. 따라서 전하량(Q)은 전위차(V)에 비례합니다. 전하량과 전위차 사이의 관계는 다음 비교에서 확인할 수 있습니다.
Q α V
위의 비교는 상수 C를 더하여 방정식으로 변환됩니다.
Q = CV 또는 C = Q / V
Q = 전하량(쿨롬), V = 전위차 또는 전압(볼트), C = 상수(축전기 용량).
정전 용량 값은 전하량이나 전압에 의존하지 않고, 도체 판의 모양과 크기에 따라 달라집니다. 정전 용량이 도체 판의 모양과 크기에 따라 달라진다는 수학적 증명은 평행판 축전기 단원에서 설명되어 있습니다. 해당 단원에서는 두 도체 사이에 진공이 존재한다고 가정합니다.
커패시터의 정전 용량은 두 도체 판 사이에 있는 물질의 종류에 따라 달라집니다. 두 도체 판 사이에 있는 물질을 유전체라고 합니다. 유전체를 사용하는 커패시터의 정전 용량에 대해서는 해당 주제에서 자세히 다룹니다. 유전 상수.
정전용량의 단위
전하량의 단위는 쿨롬(C)이고 전위차의 단위는 볼트(V)입니다. 따라서 위의 정전 용량 공식은 정전 용량과 관련이 있습니다. 정전 용량의 단위는 쿨롬/볼트(C/V)이며, 영국의 과학자 마이클 패러데이(1791-1867)의 이름을 따서 패럿(F)이라고도 합니다. 즉, 1 패럿 = 1 쿨롬/볼트입니다.
2F의 용량을 가진 커패시터는 한 도체판에 +2C의 전하가 저장되고 다른 도체판에는 -2C의 전하가 저장된다고 가정합니다. 두 도체판의 전위차는 1V입니다. 12V 배터리가 커패시터에 연결되면, 한 도체판의 전하는 Q = CV = (2)(12V) = +24C이고 다른 도체판의 전하는 -24C입니다.
패럿(Farad)은 매우 큰 정전용량 단위이므로 일반적으로 더 작은 단위인 마이크로패럿(μF, 약칭 10⁻⁶)으로 사용된다는 점에 유의하시기 바랍니다.-6 패러데이) 또는 피코패럿(picofarad)은 pF(10)로 약칭됩니다.-12 패럿(Farad). 평행판 콘덴서 주제에서 다룬 내용을 바탕으로 패럿이 매우 큰 단위임을 보여주는 수학적 계산입니다.
