유전체는 커패시터의 두 판 또는 도체 사이를 분리하는 절연체입니다. 절연체는 전기를 전도하지 않는 물질로, 플라스틱, 유리, 종이, 나무 등이 있습니다. 유전체의 기능은 커패시터의 정전 용량을 증가시켜 더 많은 전하와 위치 에너지를 저장할 수 있도록 하는 것입니다.
축전기 는 두 도체의 판이 서로 닿지 않아 전하가 한 도체에서 다른 도체로 이동하지 않을 때 작동합니다. 마찬가지로, 전하가 도체에서 공기로 이동하지 않으려면 두 도체 사이의 공간은 진공이어야 합니다. 평행판 축전기에 대한 단원에서는 진공으로 분리된 평행판 축전기의 정전 용량에 대해 논의했습니다. 진공 상태에서의 축전기 정전 용량에는 한계가 있으므로, 정전 용량을 증가시키기 위해서는 두 판 사이에 유전체를 배치해야 합니다.
유전체는 두 도체 판 사이의 전위차를 감소시키기 때문에 정전 용량을 증가시킵니다.
두 판이나 판 사이에 유전체를 넣으면 축전기의 정전 용량이 증가하는 이유는 무엇일까요? 이 질문에 대한 답을 찾으려면 먼저 전하에 대한 내용을 떠올려 봅시다. 같은 전하는 서로 밀어내고, 다른 전하는 서로 끌어당깁니다. 예를 들어, 양전하는 음전하를 끌어당기지만 양전하는 밀어냅니다. 그렇다면 음전하를 띤 플라스틱이 전하를 띠지 않은 작은 종잇조각을 끌어당기는 이유는 무엇일까요? 이는 종잇조각이 전하 분극 현상을 겪기 때문입니다.
종이와 같은 절연체 내의 전자는 전도체 내의 전자처럼 자유롭게 움직일 수 없습니다. 따라서 음전하를 띤 플라스틱을 종이 가까이 가져가면, 종이 원자에 속박된 전자들이 음전하를 띤 플라스틱으로부터 밀려나게 됩니다. 그 결과 종이에는 음전하와 양전하가 편극되어 나타납니다. 종이의 음전하는 플라스틱에서 멀리 떨어져 있고, 양전하는 플라스틱에 더 가까이 위치하게 됩니다. 따라서 플라스틱의 음전하는 종이의 양전하를 끌어당겨 종이가 플라스틱 쪽으로 이동하게 됩니다.
종이 조각에서 발생하는 전하의 분극 과정은 유전체에서 발생하는 전하의 분극 과정과 유사합니다. 예를 들어 왼쪽 그림에서처럼 처음에는 두 개의 대전된 도체만 있다고 가정해 보겠습니다. 왼쪽 판은 양전하를 띠고 오른쪽 판은 음전하를 띠므로 전기장의 방향은 왼쪽에서 오른쪽입니다.
두 도체 판 사이에 유전체를 놓으면 왼쪽 판의 양전하는 인접한 유전체 표면의 전자를 끌어당깁니다. 반대로 오른쪽 판의 음전하는 인접한 유전체 표면의 전자를 밀어냅니다. 절연체인 유전체 내의 전자는 도체 내의 전자처럼 자유롭게 움직일 수 없습니다. 따라서 전자는 원자에 속박된 상태로 남아 있지만, 그림에서처럼 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 양성자 사이에 분극이 발생합니다.
유전체 원자의 오른쪽에는 양전하가, 왼쪽에는 음전하가 존재하여 전기장이 발생합니다. 이 전기장은 오른쪽에서 왼쪽으로 향하며, 도체 판의 전하에 의해 발생하는 전기장(왼쪽에서 오른쪽으로 향함)을 약화시킵니다. 따라서 전기장이 감소하는 것은 도체 판의 전하량이 감소해서가 아니라, 유전체 내부에 반대 방향으로 전기장이 발생하기 때문입니다. 유전체에 가해진 힘이 사라지면 도체 판의 전하에 의해 발생하는 전기장의 세기는 원래대로 돌아옵니다.
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두 도체 판의 전하에 의해 발생하는 전기장의 세기가 감소함에 따라 두 도체 판 사이의 전위차 또한 감소합니다. 전기장은 전위차에 비례한다는 것은 E = V / d라는 식에서 알 수 있습니다. 여기서 E는 전기장, V는 전위차, d는 두 판 사이의 거리입니다. 유전체를 통과하기 전의 전위차가 Vo라면, 유전체를 통과한 후에는 전위차가 K만큼 감소하여 V가 됩니다.
수학적으로 Vo = KV 또는 V = Vo / K 또는 K = Vo / V이며, 여기서 K는 유전 상수입니다. Vo > V이므로 K > 1입니다.
도체의 두 판 또는 시트에 축적된 전하량은 변하지 않으므로 최종 전하량은 초기 전하량과 같습니다(Q = Qo). 커패시터의 정전 용량 변화는 다음과 같이 계산됩니다.
C = 최종 정전용량, Co = 초기 정전용량, Q = 최종 전하량, Qo = 초기 전하량, V = 최종 전위, Vo = 초기 전위, K = 유전 상수
위 식에 따르면 초기 정전용량(Co)은 작고 최종 정전용량(C)은 크다는 결론을 내릴 수 있습니다. 정전용량은 유전 상수 K에 비례하여 증가합니다. 각 절연 재료의 유전 상수 값은 서로 다릅니다. 유전 상수(K)는 절연체를 사용했을 때의 커패시터 정전용량과 절연체를 사용하지 않았을 때의 커패시터 정전용량의 비율입니다.
두 도체 판 사이의 거리가 줄어들기 때문에 유전체 용량이 증가합니다.
유전체의 또 다른 기능은 두 도체 판 사이의 거리(d)를 줄이는 것입니다. 이렇게 하면 두 도체 판 또는 판 사이의 전기장(E)과 전압(V)이 증가하게 되는데, 이는 E = V / d라는 공식으로 나타낼 수 있습니다. 두 도체 판 또는 판 사이의 전기장과 전압이 증가하면 축전기의 정전 용량도 증가합니다.
해당 커패시터들이 병렬로 연결되어 있는 경우, 커패시턴스는 다음 공식을 사용하여 계산합니다.
위의 두 공식을 바탕으로, 평행판 커패시터의 정전용량(C)은 두 판 또는 도체 시트 사이의 거리(d)를 줄임으로써 증가시킬 수 있다는 결론을 내릴 수 있다.
커패시터의 용량이 증가함에 따라 유전체 용량도 증가합니다.
유전체는 절연체로 이루어져 있으며, 강한 전기장에 노출되면 손상됩니다. 유전체 손상은 전기장이 너무 강해서 원자에서 전자가 떨어져 나와 다른 원자의 전자와 충돌하면서 유전체 내에서 전자의 흐름이 발생할 때 일어납니다. 즉, 유전체 손상은 전기 절연체인 유전체를 전기 전도체로 변화시키는 현상입니다.
손상을 방지하기 위해 특정 절연 재료로 만들어진 모든 유전체는 견딜 수 있는 최대 전기장 값, 즉 유전 강도를 가지고 있습니다. 절연 재료의 유전 강도는 공기의 유전 강도보다 크며, 각 절연 재료마다 유전 강도가 다릅니다. 유전 강도가 큰 유전체를 사용하면 견딜 수 있는 전기장이 커지고, 견딜 수 있는 전압 또한 커집니다. 도체의 두 판 또는 시트에서 발생하는 전기장과 전압이 클수록 도체 판에 저장할 수 있는 전하량이 커집니다. 도체 판 내부에 더 많은 전하가 저장될수록 축전기의 정전 용량이 커집니다.
