전기장 및 커패시턴스

소개

두 개의 분리된 도체 사이에 전압이 존재할 때마다 두 도체 사이의 공간 내에 전기장이 존재합니다. 기본 전자공학에서 우리는 전자가 이동할 수 있는 전도 경로인 회로와 관련된 전압, 전류 및 저항의 상호 작용을 연구합니다. 하지만 필드에 대해 이야기할 때 빈 공간에 퍼질 수 있는 상호 작용을 다루고 있습니다.

확실히 "필드"의 개념은 다소 추상적입니다. 적어도 전류가 흐르면 전도체 내의 원자핵 사이를 이동하는 전자라고 하는 작은 입자를 상상하는 것은 그리 어렵지 않습니다. 그러나 "장"은 질량도 없고 물질 내부에 전혀 존재할 필요도 없습니다. .

추상적인 특성에도 불구하고 거의 모든 사람은 최소한 자석의 형태로 장을 직접 경험합니다. 자석 한 쌍을 가지고 놀면서 상대적인 방향에 따라 자석이 서로 어떻게 끌어당기거나 반발하는지 알아차린 적이 있습니까? 한 쌍의 자석 사이에는 부인할 수 없는 힘이 있으며, 이 힘에는 "물질"이 없습니다. 질량도 없고 색깔도 없고 냄새도 없고 자석 자체에 가해지는 물리적인 힘이 없다면 우리 몸에 전혀 무감각할 것이다. 물리학자들은 자석의 상호작용을 자기장으로 설명합니다. 그들 사이의 공간에서. 철 조각을 자석 근처에 놓으면 자기장의 선을 따라 방향을 지정하여 시각적으로 그 존재를 나타냅니다.

전기장

이 장의 주제는 자기장이 아니라 전기장(및 이를 이용하는 커패시터라고 하는 장치)이지만 많은 유사점이 있습니다. 아마도 당신도 전기장을 경험했을 것입니다. 이 책의 1장은 정전기에 대한 설명으로 시작했으며, 왁스와 양모와 같은 재료가 서로 문지르면 물리적인 인력을 생성하는 방법에 대해 설명합니다. 다시 말하지만, 물리학자들은 이 상호작용을 전자 불균형의 결과로 두 물체에 의해 생성된 전기장으로 설명합니다. 두 점 사이에 전압이 존재할 때마다 두 점 사이의 공간에 전기장이 나타날 것이라고 말하면 충분합니다.

필드 포스와 필드 플럭스

필드에는 두 가지 측정값이 있습니다. 필드 힘 및 필드 플럭스 . 필드 강제 필드가 특정 거리에 대해 가하는 "밀기"의 양입니다. . 필드 플럭스 공간을 통한 필드의 총량 또는 효과입니다. . 필드 힘과 플럭스는 각각 도체를 통한 전압("밀기") 및 전류(흐름)와 대략 유사하지만 필드 플럭스는 완전히 빈 공간(전자와 같은 입자의 움직임 없이)에 존재할 수 있는 반면 전류는 발생할 수 있습니다. 움직일 수 있는 자유 전자가 있는 곳. 전자의 흐름이 저항에 의해 반대될 수 있는 것처럼 필드 플럭스는 공간에서 반대될 수 있습니다. 공간에서 발생할 필드 플럭스의 양은 적용된 필드 힘의 양을 플럭스에 대한 반대의 양으로 나눈 값에 비례합니다. 전도성 물질의 유형이 전도체의 전류에 대한 비저항을 지시하는 것처럼 두 전도체를 분리하는 절연 물질의 유형은 계자 플럭스에 대한 특정 반대를 지시합니다.

일반적으로 전자는 같은 양의 전자가 빠져나가는 경로가 없는 한 도체에 들어갈 수 없습니다(마블 인 튜브 비유를 기억하십니까?). 이것이 연속적인 전류가 발생하기 위해 도체를 원형 경로(회로)로 함께 연결해야 하는 이유입니다. 그러나 이상하게도 전기장이 다른 도체에 비해 공간에서 발생하도록 허용되면 출구 경로 없이 도체로 여분의 전자가 "압착"될 수 있습니다. 도체에 추가된 여분의 자유 전자(또는 제거된 자유 전자)의 수는 두 도체 사이의 필드 플럭스의 양에 정비례합니다.

커패시터 전기장

커패시터 두 개의 전도성 플레이트(보통 금속)를 서로 근접하게 배치하여 이러한 현상을 이용하도록 설계된 구성요소입니다. 커패시터 구성에는 다양한 스타일이 있으며 각각은 특정 정격과 목적에 적합합니다. 매우 작은 커패시터의 경우 절연 재료를 끼우는 두 개의 원형 플레이트로 충분합니다. 더 큰 커패시터 값의 경우 "플레이트"는 유연한 절연 매체 주위에 끼워진 금속 호일 스트립일 수 있으며 소형화를 위해 감겨 있습니다. 가장 높은 커패시턴스 값은 두 개의 전도성 표면을 분리하는 미세한 두께의 절연 산화물 층을 사용하여 얻을 수 있습니다. 어쨌든 일반적인 아이디어는 동일합니다. 절연체로 분리된 두 개의 도체입니다.

커패시터의 개략도 기호는 간격으로 분리된 두 개의 짧은 평행선(판을 나타냄)보다 약간 더 간단하여 매우 간단합니다. 와이어는 다른 구성 요소에 연결하기 위해 각 플레이트에 부착됩니다. 커패시터에 대한 더 오래된 구식 회로도 기호는 인터리브 플레이트를 보여주었는데, 이는 실제로 대부분의 커패시터의 실제 구성을 나타내는 더 정확한 방법입니다.

커패시터의 두 판에 전압이 가해지면 두 판 사이에 집중된 자기장 플럭스가 생성되어 두 판 사이에 상당한 자유 전자(전하) 차이가 발생합니다.

인가된 전압에 의해 전기장이 형성됨에 따라 여분의 자유 전자는 음극 도체에 강제로 수집되는 반면 자유 전자는 양극 도체에서 "강탈"됩니다. 이 차동 전하는 두 판 사이의 전자의 잠재적 전하를 나타내는 커패시터의 에너지 저장과 동일합니다. 커패시터의 반대쪽 판에 있는 전자의 차이가 클수록 필드 플럭스가 커지고 커패시터가 저장할 에너지의 "전하"도 커집니다.

축전기는 축적된 전자의 위치 에너지를 전기장의 형태로 저장하기 때문에 회로의 저항기(단순히 열의 형태로 에너지를 발산함)와 매우 다르게 동작합니다. 커패시터의 에너지 저장은 플레이트 사이의 전압과 이 장의 뒷부분에서 논의할 다른 요소의 함수입니다. 전압의 함수로 에너지를 저장하는 커패시터의 능력(두 리드 간의 전위차)으로 인해 전압을 일정한 수준으로 유지하려는 경향이 있습니다. 즉, 커패시터는 변화에 저항하는 경향이 있습니다. 전압에서. 커패시터 양단의 전압이 증가하거나 감소할 때 커패시터는 변화에 반대하여 전압 변화 소스에서 전류를 끌어오거나 공급함으로써 변화에 "저항"합니다.

커패시터에 더 많은 에너지를 저장하려면 커패시터 양단의 전압을 높여야 합니다. 이것은 (-) 판에 더 많은 전자를 추가하고 (+) 판에서 더 많은 전자를 제거해야 하므로 해당 방향으로 전류가 필요함을 의미합니다. 반대로 커패시터에서 에너지를 방출하려면 커패시터 양단의 전압을 줄여야 합니다. 이것은 (-) 판에 있는 여분의 전자 중 일부가 (+) 판으로 돌아가야 하므로 다른 방향으로 전류가 필요함을 의미합니다.

아이작 뉴턴(Isaac Newton)의 운동 제1법칙("움직이는 물체는 계속 움직이려는 경향이 있고, 정지해 있는 물체는 정지해 있는 경향이 있다")이 속도 변화에 반대하는 질량의 경향을 설명하는 것처럼 우리는 커패시터의 경향을 다음과 같이 설명할 수 있습니다. 다음과 같은 전압 변화에 반대합니다. “충전된 커패시터는 충전 상태를 유지하는 경향이 있습니다. 방전된 커패시터는 방전 상태를 유지하는 경향이 있습니다." 가설적으로, 손대지 않은 상태로 남겨진 커패시터는 남아 있던 전압 충전 상태를 무기한으로 유지할 것입니다. 전류의 외부 소스(또는 드레인)만이 완벽한 커패시터에 의해 저장된 전압 전하를 변경할 수 있습니다.

그러나 실질적으로 말해서 커패시터는 전자가 한 판에서 다른 판으로 흐르기 위한 내부 누설 경로로 인해 결국 저장된 전압 전하를 잃게 됩니다. 특정 유형의 커패시터에 따라 저장된 전압 전하가 자체적으로 소산되는 데 걸리는 시간이 오랜 수 있습니다. 시간(콘덴서를 선반에 올려놓은 채로 몇 년!).

커패시터 양단의 전압이 증가하면 나머지 회로에서 전류를 끌어와 전력 부하로 작용합니다. 이 조건에서 커패시터는 충전 중이라고 합니다. , 전기장에 저장되는 에너지의 양이 증가하기 때문입니다. 전압 극성과 관련하여 전자 전류의 방향에 유의하십시오.

반대로, 커패시터 양단의 전압이 감소하면 커패시터는 전원 역할을 하는 나머지 회로에 전류를 공급합니다. 이 상태에서 커패시터는 방전이라고 합니다. . 전기장에 보관된 에너지 저장은 에너지가 회로의 나머지 부분으로 방출됨에 따라 이제 감소하고 있습니다. 전압 극성에 대한 전류 방향에 유의하십시오.

전압 소스가 충전되지 않은 커패시터에 갑자기 적용되면(급격한 전압 증가) 커패시터는 커패시터의 전압이 소스의 전압과 같아질 때까지 해당 소스에서 전류를 끌어 에너지를 흡수합니다. 커패시터 전압이 이 최종(충전된) 상태에 도달하면 전류가 0으로 감소합니다. 반대로 부하 저항이 충전된 커패시터에 연결되면 커패시터는 저장된 에너지를 모두 방출하고 전압이 0으로 떨어질 때까지 부하에 전류를 공급합니다. 커패시터 전압이 이 최종(방전) 상태에 도달하면 전류가 0으로 감소합니다. 충전 및 방전 기능이 있는 커패시터는 2차 전지 배터리와 같은 역할을 한다고 생각할 수 있습니다.

이전에 언급한 바와 같이 플레이트 사이의 절연 재료 선택은 플레이트에 인가된 주어진 양의 전압으로 얼마나 많은 필드 플럭스(따라서 얼마나 많은 전하)가 발생하는지에 큰 영향을 미칩니다. 필드 플럭스에 영향을 미치는 이 절연 재료의 역할 때문에 유전체라는 특별한 이름이 있습니다. . 모든 유전 물질이 동일한 것은 아닙니다. 물질이 전기장 플럭스의 형성을 억제하거나 촉진하는 정도를 유전율이라고 합니다. 유전체의.

주어진 양의 전압 강하에 대해 에너지를 저장하는 커패시터의 능력을 측정한 것을 커패시턴스라고 합니다. . 당연히 커패시턴스는 전압 변화에 대한 반대 강도의 척도이기도 합니다(주어진 전압 변화율에 대해 정확히 얼마나 많은 전류가 생성되는지). 캐패시턴스는 대문자 "C"로 기호로 표시되며 "F"로 약칭되는 패럿 단위로 측정됩니다.

어떤 이상한 이유로 컨벤션은 큰 커패시턴스를 측정할 때 미터법 접두사 "micro"를 선호했으며 너무 많은 커패시터가 혼란스러울 정도로 큰 microFarad 값으로 평가되었습니다. ! 330 밀리패럿으로 표시하지 않는 이유는 무엇입니까? 모르겠어요.

축전기의 구식 이름

더 이상 사용되지 않는 커패시터 이름은 콘덴서입니다. 또는 콘덴서 . 이 용어는 새 책이나 개략도(내가 아는 한)에서는 사용되지 않지만 오래된 전자 문헌에서 접할 수 있습니다. 아마도 "콘덴서"라는 용어의 가장 잘 알려진 사용법은 자동차 엔지니어링 분야일 것입니다. 여기서 전기 기계 점화 시스템의 스위치 접점("포인트"라고 함)에서 과도한 스파크를 완화하기 위해 그 이름으로 불리는 작은 커패시터가 사용되었습니다.

검토:

<울>

커패시터는 변화에 반대하는 데 필요한 방향으로 전류를 공급하거나 끌어옴으로써 전압 변화에 반응합니다.

커패시터는 전압이 증가하면 부하 역할을 합니다. :에너지를 저장할 때 전류를 끌어옵니다(저항처럼 양극으로 흘러 음극으로 흐르는 전류).

커패시터가 전압 감소에 직면하면 소스 역할을 합니다. :저장된 에너지를 방출하면서 전류를 공급합니다(배터리처럼 양극과 음극으로 흐르는 전류).

전기장의 형태로 에너지를 저장하고 결과적으로 전압의 변화에 ​​저항하는 커패시터의 능력을 커패시턴스라고 합니다. . 패럿 단위로 측정됩니다. (여).

일반적으로 다른 용어로 알려진 커패시터:콘덴서 (또는 "콘덴서"로 표기됨).