유전체를 사용한 커패시터
커패시터는 전기를 저장할 수 있는 장치로, 일반적으로 서로 가까이 있지만 접촉하지 않는 두 개의 도체(보통 판이나 시트)로 구성됩니다. 기본적으로 커패시터는 절연체로 불리는 유전체에 의해 분리된 두 개의 금속판으로 구성되어 있습니다. 예를 들어, 폴리스티렌, 기름, 공기 등이 유전체로 사용될 수 있습니다. 커패시터는 현대 전자 및 전기 회로 및 장치에서 가장 많이 사용되고 유용한 전자 부품 중 하나입니다. 그들의 용량은 두 도체의 크기, 형태, 상대적 위치뿐만 아니라 그들을 분리하는 재료에만 의존합니다. 간단한 커패시터는 면적 A의 한 쌍의 평행한 판으로 구성되며, 이들은 작은 거리 d로 분리됩니다. 종종 두 판은 플라스틱, 종이 또는 다른 절연체로 분리되어 실린더 형태로 감깁니다.
회로도에서 커패시터의 표현
회로도에서 커패시터는 다음과 같은 기호로 표현됩니다:
커패시터의 종류
커패시터는 세 가지 기본 그룹으로 나뉩니다:
고정 커패시터: 제조 과정에서 값이 고정되고 나중에 변경할 수 없는 커패시터입니다. 고정 커패시터는 전해질과 비전해질 커패시터로 더 분류됩니다.
극성 커패시터: 특정한 양극과 음극을 가진 커패시터입니다. 이러한 커패시터를 회로에 사용할 때는 항상 정확한 극성으로 연결되어야 합니다.
가변 커패시터: 가변 용량을 가진 커패시터로, 일반적으로 회로 교정 중에만 조정되는 트리머로 만들어지며, 전자 장치의 작동 중에 조정 가능합니다.
유전체를 사용한 커패시터의 기능
유전체는 많은 용도로 사용되지만, 가장 중요한 용도는 커패시터에서의 사용입니다. 많은 커패시터에서는 판 사이에 종이나 플라스틱과 같은 절연 재료가 있습니다. 이러한 재료를 유전체라고 하며, 판 사이의 물리적 분리를 유지하는 데 사용됩니다. 고체 유전체를 커패시터의 판 사이에 배치하면 세 가지 기능을 합니다:
기계적 분리
전기적 격리 – 더 높은 전압 가능
전기장 감소 – 더 높은 용량
유전체를 사용하면 커패시터 판 사이의 최대 가능한 전위차가 증가합니다. 충분히 큰 전기장에 노출되는 모든 절연 재료는 부분적인 이온화를 경험하여 그것을 통해 전도를 허용합니다. 이를 유전체 파괴라고 합니다. 예를 들어, 공기의 유전 강도는 약 3 kV/mm입니다. 많은 유전 재료는 공기보다 더 강한 전기장을 견딜 수 있습니다. 따라서 유전체를 사용하면 커패시터가 더 높은 전위차를 견디고 더 많은 양의 전하와 에너지를 저장할 수 있습니다.
유전체의 영향
실험적으로 용량 C는 도체 사이의 공간이 유전체로 채워질 때 증가하는 것으로 밝혀졌습니다. 적용된 전기장에 의한 유전체의 분극은 주어진 전기장 강도에 대해 커패시터의 표면 전하를 증가시킵니다. 두 판 사이에 전기장을 적용하면 유전체에 일부 반대 전하가 유도되어 적용된 전기장에 반대합니다. 결과적으로 판 사이의 영역을 채우는 유전체 내부의 전기장은 감소하고, 커패시터는 더 많은 전하를 저장할 수 있습니다.
C = κeC0
여기서 κe는 유전 상수라고 합니다. 이를 통해 두 가지 경우가 있습니다. 커패시터 판 사이의 전위차가 유지되는 경우(예: 배터리 B에 의해) 유전체의 효과는 판에 전하를 증가시킵니다. 판에 전하가 유지되는 경우(이 경우와 같이) 유전체의 효과는 판 사이의 전위차를 감소시킵니다. 아래 표에서는 다양한 유전 재료와 그들의 유전 상수를 보여줍니다. 실험은 모든 유전 재료가 κe > 1을 가진다는 것을 나타냅니다. 유전체 파괴가 발생하고 전하가 흐르기 시작하기 전에 전기장의 최대값인 특성 유전 강도가 각 유전 재료에 있음을 유의해야 합니다.
