전기용량

전기용량

전기용량은 이와 관련된 전기 에너지의 저장도 의미한다.

만약 전하가 2개의 대전되지 않은 도체의 한 도체에서 다른 도체로 이동하면 각각 같은 크기의 양과 음으로 대전되고 이 두 도체 사이에는 전위차가 발생한다. 전기용량 C는 어느 한 도체에 있는 전하 q와 두 도체 사이의 전위차 V의 비, 즉 간단히 C〓q/V 로 표시된다. SI 단위계에서 전하량의 단위는 쿨롬이고 전위차의 단위는 볼트이다.

그러므로 전기용량의 단위는 1C/V 이며 패럿(기호 F)으로 불린다. 1F는 매우 큰 전기용량이다. 보통 사용하는 편리한 세분단위는 1F의 1/1,000,000인 마이크로패럿(μF)과 1μF의 1/1,000,000인 피코패럿(pF：옛날 용어는 μμF)이다. 정전단위계의 전기용량은 거리의 차원을 가진다.

전기회로에서의 전기용량은 축전기라는 소자에 관계한다.

이 축전기는 1745년 프로이센의 과학자 에발트 게오르크 폰 클라이스트와 네덜란드의 물리학자 페테르 반 뮈센브루크에 의하여 정전기 현상을 조사하는 과정에서 거의 동시에 독립적으로 발견되었다. 그들은 정전기 기기로부터 얻어진 전기는 어떤 시간 동안 저장되고 난 다음 방전(放電)된다는 것을 발견했다.

라이덴 병이라고 알려지게 된 이 장치는 물이 채워져 있고, 마개가 한 유리병 또는 단지로 구성되고, 못이 마개를 지나 물속에 담겨져 있다(라이덴 병). 그들은 단지를 손에 잡고 못을 정전기 기기의 도체에 접촉시키고 다른 손으로 못을 떼면 충격을 받는다는 것을 알았다. 이 반응은 기계로부터의 얼마 동안의 전기가 저장되었다는 것을 보여주었다.

1747년 영국의 천문학자인 존 베비스에 의해 축전기에서 단순하지만 근본적인 진전이 이루어졌다.

그는 물 대신에 금속박을 사용해 유리의 내면에 내장을 형성하고 외면을 덮었다. 도체가 병의 주둥이를 통해 내장에 닿아 있는 이 형태의 축전기는 그 주요한 물리적 특징으로서, 가능한 한 얇은 절연층 또는 유전체층(誘電體層)으로 거의 균일하게 분리되어 있는 2개의 넓은 면적의 도체로 되어 있다. 그러므로 콘덴서라고도 하는 축전기는, 본질적으로 절연물질 또는 유전체로 분리된 2장의 도체의 샌드위치 모양이다.

이것의 가장 중요한 기능은 전기 에너지를 저장하는 것이다. 축전들은 판의 크기와 기하학적 배치, 그리고 사용한 유전체 물질의 종류에 따라 서로 다르다. 그러므로 그들은 운모 축전기, 종이 축전기, 세라믹 축전기, 공기 축전기, 전해질(電解質) 축전기라는 이름을 가지고 있다. 축전기의 전기용량은 고정되어 있는 것도 있고, 회로를 조절해서 사용하는 범위의 값을 조정할 수 있는 것도 있다.

축전기가 저장하는 에너지는 가해진 전압에서 서로 반대되는 전하를 양쪽판에 생기도록 하는 데 행한 일(예를 들어 축전지에 의한)에 해당한다. 저장될 수 있는 전하의 양은 판의 면적, 그 사이의 간격, 그 사이의 유전체, 그리고 가해진 전압에 좌우된다.

교류(AC) 회로에 장치된 축전기는 반주기로 충전과 방전을 교대로 한다. 그러므로 충전 또는 방전하는 데 이용할 수 있는 시간은 전류의 주파수에 좌우된다. 만약 요구되는 시간이 반주기 길이보다 길면 분극은 완전하지 않다.

그와 같은 조건에서 유전 상수가 직류 전류에서 관찰한 것보다 작게 나타나고 주파수에 따라 달라져 주파수가 높을수록 작게 나타난다. 판의 극성(極性)이 바뀌고 있는 동안에 유전체에서 전하분포는 한쪽 방향에서 다른쪽 방향으로 바뀌며, 그것들이 만나는 방해를 극복하는 중에 유전 손실이라고 알려진 열을 발생한다. 이 유전 손실은 축전기를 라디오나 텔레비전 수신기에서의 회로와 같이 전기회로에 이용할 때는 반드시 고려되어야 할 특성이며 유전체에 좌우된다.

유전체를 통해 흐르는 누설전류(대개 작음)를 제외하고, 축전기에 정전압을 가해주면 축전기로 전류가 흐르지 않는다. 그러나 교류 전류는 쉽게 통과하며 이를 변위전류라고 부른다(변위전류).