커패시터는 전자 분야의 기본 구성 요소이며 다양한 전자 회로에서 중요한 역할을 합니다. 커패시턴스 및 전하의 개념을 이해하는 것은 전기 공학 영역을 탐구하려는 모든 사람에게 필수적입니다. 이 기사에서는 커패시터에 대해 간략하게 소개하고, 커패시턴스를 설명하고, 커패시터의 동작을 지배하는 방정식을 탐구합니다.
커패시터란?
커패시터는 전기장에 전기 에너지를 저장하는 수동 2단자 전자 부품입니다. 축전기의 구조는 일반적으로 금속으로 구성된 두 개의 전도성 판으로 구성되며, 이 판은 사이에 유전 물질을 두고 떨어져 위치합니다. 커패시터의 단자에 전압 차이가 가해지면 플레이트에 전하가 축적되어 플레이트 사이에 전기장이 생성됩니다.
커패시턴스란?
커패시턴스는 장치 또는 구성 요소에 걸쳐 단위 전압당 저장할 수 있는 전기 에너지의 양을 측정한 것입니다. 커패시턴스의 단위는 패럿입니다.
충전이란?
전하는 전기 에너지의 존재로 설명됩니다. 기호는 Q이고 단위는 쿨롱입니다.
커패시터 작동
커패시터의 단자에 전압이 가해지면 플레이트 사이에 설정된 전기장이 전자의 움직임을 시작합니다. 커패시터의 음극판은 전압원의 음극 단자에서 이동한 전자의 수집 지점이 됩니다.
동시에 동일한 수의 전자가 커패시터의 양극판을 떠나 전압원의 양극 단자로 돌아갑니다.
이러한 전하 축적 및 재분배는 커패시터가 완전히 충전될 때까지 계속되며, 이 시점에서 전자의 흐름이 중단되고 커패시터에 저장된 전하는 다음 방정식을 사용하여 결정할 수 있습니다.
주어진 방정식에서 'Q'는 요금 내에 축적된 콘덴서 , 'C'는 정전 용량 , 'V'는 커패시터에 인가된 전압을 나타냅니다.
이 방정식은 커패시턴스와 인가된 전압 사이의 비례 관계를 표시하여 커패시터에 유지된 전하의 양이 이 두 변수와 직접적으로 관련되어 있음을 보여줍니다. 따라서 커패시턴스 또는 전압을 높이면 전하 축적이 높아집니다.
병렬 플레이트 커패시터의 커패시턴스
커패시터의 커패시턴스는 플레이트의 표면적(A)과 플레이트 사이의 이격 거리(d)에 의해 결정되며 두 요소 모두 전체 커패시턴스에 영향을 미칩니다. 플레이트 면적이 클수록 커패시턴스가 커지고 플레이트 사이의 거리가 짧아지면 커패시턴스가 증가합니다. 이 관계는 다음 방정식으로 설명됩니다.
커패시터는 전기 에너지를 저장할 수 있는 기능을 가지고 있으며 저장된 에너지의 양(U)은 적용된 전압(V)의 제곱과 커패시터의 커패시턴스(C) 모두에 정비례합니다. 커패시터에 저장된 에너지 방정식은 다음과 같습니다.
커패시터에 저장된 에너지를 아는 것은 회로 설계, 특히 에너지 방출 또는 순간 전력 요구 사항이 중요한 애플리케이션에서 매우 중요합니다.
구형 커패시터의 커패시턴스
구형 커패시터의 정전 용량을 계산하려면 내부 및 외부 전도성 구의 반지름을 모두 알아야 합니다. 커패시터의 모양과 구체 사이에 위치한 물질의 유전율이 정전 용량을 제어합니다. 구형 커패시터의 커패시턴스를 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
한편, 기호 'εᵣ'는 구 사이에 위치한 물질의 비유전율 또는 유전 상수를 나타내는 데 사용됩니다. 또한 'r₁'은 내부 구의 반지름을 나타내고 'r₂'는 외부 구의 반지름을 나타냅니다.
반경 값과 재료의 유전율을 대입하면 구형 커패시터의 정전 용량을 계산할 수 있습니다. 내부 구의 반지름이 무시할 수 있거나 포인트 전하로 간주되는 경우 커패시턴스 공식이 다음과 같이 단순화된다는 점은 주목할 가치가 있습니다.
이 경우 커패시턴스는 외부 구의 반경과 재료의 유전율에 의해서만 결정됩니다.
원통형 커패시터의 커패시턴스
원통형 커패시터의 정전 용량을 계산하려면 커패시터의 길이(L), 내부 도체의 반경(r₁) 및 외부 도체의 반경(r₂)을 알아야 합니다. 커패시터의 모양과 구체 사이에 위치한 물질의 유전율이 정전 용량을 제어합니다. 원통형 커패시터의 커패시턴스를 계산하는 공식은 다음과 같습니다.
한편, 기호 'εᵣ'는 구 사이에 위치한 물질의 비유전율 또는 유전 상수를 나타내는 데 사용됩니다. 또한 'r₁'은 내부 구의 반지름을 나타내고 'r₂'는 외부 구의 반지름을 나타냅니다.
결론
커패시터는 에너지 저장 및 전압 조정을 가능하게 하는 전자 제품과 관련하여 중요한 구성 요소입니다. 패럿(F) 단위로 측정되는 정전 용량은 전하를 저장하는 커패시터의 능력을 정량화합니다. 이는 저장된 전하(Q)에 정비례하고 커패시터 단자 양단의 전압(V)에 반비례합니다.