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1. 축전기의 원리와 특성
1.1. 축전기의 기본 구조와 전하 축적 원리
축전기는 기본적으로 도체로 된 두 개의 극판 사이에 유전체(Dielectric)가 삽입되어있는 형태를 가지고 있다. 유전체로는 종이, 운모, 유리, 세라믹, 전해질 등과 같은 절연체를 사용한다. 이러한 구조의 축전기에 전하 혹은 전기에너지를 저장할 수 있다.
회로에 전압을 인가하면 극판 A와 극판 B에 서로 반대 극성의 전하가 모이게 된다. 극판 A에는 양전하가, 극판 B에는 음전하가 모이게 되는데, 이때 모인 전하량은 회로에 인가된 전압에 비례하게 된다.
즉, 축전기에 모인 전하량(Q)은 축전기에 인가된 전압(V)과 축전기의 전기용량(C)에 따라 Q=CV의 관계식으로 표현할 수 있다. 여기서 C는 축전기가 전하를 축적할 수 있는 능력의 정도를 나타내는 상수로서 전기용량(Capacitance)이라고 한다.
대표적인 축전기 구조인 평행판 축전기의 경우, 전기용량은 금속판의 면적(A)에 비례하고 금속판 사이의 거리(d)에 반비례한다. 즉, C=ε_0 κ A/d 의 관계식으로 표현할 수 있으며, ε_0는 진공의 유전율, κ는 유전체의 비유전율을 나타낸다.
이처럼 축전기는 간단한 구조로 이루어져 있지만, 전하 축적 원리를 통해 전기에너지를 저장할 수 있는 중요한 전자 소자이다.
1.2. 축전기의 전기용량과 관련 물리량
축전기의 전기용량과 관련 물리량은 매우 중요한 개념이다. 축전기의 전기용량은 축전기가 전하를 축적할 수 있는 능력을 나타내는 물리량으로, 그 단위는 패럿(F)이다. 일반적으로 패럿은 너무 큰 단위이기 때문에 기본단위로 pF(pico Farad)을 많이 사용한다.
평행판 축전기의 경우, 전기용량은 금속판의 면적(A)에 비례하고 금속판 사이의 거리(d)에 반비례한다. 이는 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.
C= epsilon {A} over {d}
여기에서 epsilon는 금속판 사이에 있는 절연체의 유전율(permittivity, {F}over{m})에 해당한다. 따라서 축전기의 전기용량은 금속판의 면적, 금속판 사이의 거리, 그리고 절연체의 유전율에 의해 결정된다.
축전기에 전하 Q가 축적되면, 축전기에 인가되는 전압 V는 Q와 전기용량 C에 비례한다. 이 관계는 다음과 같이 표현된다.
Q=CV
즉, 축전기에 저장되는 전하량 Q는 인가 전압 V와 전기용량 C에 비례한다. 이를 통해 축전기의 전기용량을 측정하면 축전기에 저장되는 전하량을 예측할 수 있다.
1.3. 축전기의 직렬 및 병렬 연결
축전기의 직렬 연결과 병렬 연결의 특성은 다음과 같다.
축전기를 [그림 3]과 같이 직렬로 연결하면, 직렬 연결된 각 축전기에 축적되는 전하량은 축전기의 전기용량에 상관없이 일정하다. 즉, Q1=Q2=Q3=Q이다. 이 때 전체 전압은 각 축전기의 전압을 더한 것과 같아야 하므로 V1+V2+V3=V가 된다. 또한 V=Q/C이므로 합성 전...
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