축전기 문서 원본 보기

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{{출처 필요|날짜=2011-3-2}}
[[파일:Capacitors (7189597135).jpg|섬네일|여러 종류와 크기의 축전기]]
'''축전기'''({{lang|en|capacitor|커패시터}}) 또는 '''콘덴서'''({{lang|en|condenser}})란 전기 회로에서 [[전기 용량]]을 [[전기적 퍼텐셜 에너지]]로 저장하는 장치이다. [[전하]](전기)를 모으는 장치로, 두 개의 [[전기 연결 단자|단자]]가 있는 [[수동소자]]이다. 축전기 내부는 두 도체판이 떨어져 있는 구조로 되어 있고, 사이에는 보통 절연체가 들어간다. 각 판의 표면과 절연체의 경계 부분에 전하가 비축되고, 양 표면에 모이는 전하량의 크기는 같지만 부호는 반대이다. 즉, 두 도체판 사이에 전압을 걸면 음극에는 (-)전하가, 양극에는 (+)전하가 유도되는데, 이로 인해 전기적 인력이 발생하게 된다. 이 인력에 의하여 전하들이 모여있게 되므로 에너지가 저장된다.

== 명칭 ==
"콘덴서"({{lang|en|condenser}})라는 이름은 일본에서 영문 이름을 번역한 것이 그대로 대한민국으로 유입된 것으로, 오늘날 [[한국물리학회]] 표준 용어는 "축전기"이다.<ref>{{웹 인용|url=http://www.kps.or.kr/home/kor/morgue/dic/default.asp?globalmenu=6&localmenu=2|title=물리용어 조정안|author=한국물리학회|확인날짜=2010-11-06|보존url=https://web.archive.org/web/20140701100032/http://www.kps.or.kr/home/kor/morgue/dic/default.asp?globalmenu=6&localmenu=2|보존날짜=2014-07-01|url-status=dead}}</ref> 뿐만 아니라, "{{lang|en|condenser}}"라는 영어 용어는 [[광학]]에서 집광기(빛모으개)나 기체 역학에서 [[응축|응축기]](기체를 액체로 변화시키는 기구) 등 전혀 다른 기구를 일컫기도 한다.<ref>{{웹 인용 | url=https://stdict.korean.go.kr/search/searchView.do?word_no=341282&searchKeywordTo=3 | 제목=콘덴서 | 웹사이트=표준국어대사전 | 출판사=국립국어원 | 확인날짜=2020-09-28 }}</ref>

== 역사 ==
[[파일:Leidse flessen Museum Boerhave december 2003 2.jpg|왼쪽|섬네일|라이덴병]]
1745년 최초의 축전기 형태인 [[라이덴병]]이 독일 발명가인 [[에발트 게오르크 폰 클라이스트]]({{lang|de|Ewald Georg von Kleist}})에 의하여 발명되었다. 1746년에는 네덜란드 라이덴 대학의 물리학자인 [[Pieter van Musschenbroek]]도 독자적으로 라이덴병을 발명하였다. 최초의 라이덴병은 유리병에 코르크 마개 중앙으로 도선을 삽입하여 물에 닿도록 한후 정전기를 충전시키는 단순한 형태였다. 그 후 유리병의 안과 밖에 금속박(주석박)을 입혀 극성이 서로 다른 전하를 충전시키고 도선을 서로 연결하여 충전된 전하를 방전시키는 완전한 형태의 콘덴서로 발전하게 되었다. 라이덴병에서 유리가 [[유전체 (물리학)|유전체]], 주석박이 전극역할을 하고 있는 것이다.

그 후 지금과 같은 축전기가 비약적으로 발전하게 된 동기는 제2차 세계대전이 결정적인 고비가 되었다. 그 전에는 주로 자연적인 재료를 유전체로 사용하였으나 제2차 세계대전을 전후하여 독일에서 금속증착기술이 상용화되면서부터 소형화된 축전기의 출현이 가능하게 된 것이다.

== 축전기의 종류 ==
축전기는 사용하는 [[유전체 (물리학)|유전체]]에 따라 공기 축전기·진공 축전기·가스입 축전기·액체 축전기·운모 축전기·종이 축전기·금속화종이 축전기·자기 축전기·유기막 축전기·전해 축전기 등으로 나눈다.

또 [[전기 용량]]이 변화하지 않는 고정 축전기와 변화하는 가변 축전기로도 분류한다. 가변 축전기는 흔히 바리콘이라고도 불리며 [[임피던스]]를 조절하여 [[전파]]를 수신하는데 사용된다.

이 밖에도, 용도에 따라 슈퍼 축전기 (용량이 매우 큰 축전기), 고압 축전기 (고압 전기를 축전할 때 사용, 대표적으로 [[테슬라 코일]]의 콘덴서로 사용하거나 카메라 플래시에서 순간적인 고전압을 발생 시킬 때 사용) 등으로 분류한다.

=== 진공 축전기 ===
'''진공 축전기'''(vacuum capacitor)란 유전체를 사용하지 않고 진공관과 같은 진공용기 속에 전극을 마주놓은 축전기이다. 진공 속에서는 [[글로방전]]이 발생하지 않고 대기 속의 습도·탄산가스 등의 영향이 없으므로 [[내전압]](耐電壓)이 높고 안정하다. 따라서 전극 사이 거리를 좁힐 수 있으며, 소형으로 큰 용량을 얻을 수 있다. 또 높은 주파수라도 손실이 적고 안정하므로 송신기와 같은 고주파의 대전력에 적합하여 많이 사용한다. 구조는 고정용량형(동량형)과 가변용량형(가변형)이 있다. 대전력에 사용할 때는 축전기의 바깥쪽을 접지쪽으로 해서 사용하는 편이 좋다.

=== 공기 축전기 ===
'''공기 축전기'''(air capacitor)란 유전체로서 공기 자체를 사용하는 축전기이다. 밀봉하여 건조공기를 충전하면 시간에 따른 변화가 적으므로 이를 표준용으로 사용한다. 휴대용 이외의 라디오 AM수신기에 가변용량형 공기축전기가 사용된다. 얇은 판으로 된 금속극판이 공기 속의 음향으로 진동하면 두 금속판 사이 거리가 달라져 용량값이 변동한다. 이것을 억제하기 위해 보통 극판을 상호 결합해서 기계적 강도를 크게 한다.

=== 금속화 종이 축전기 ===
'''금속화 종이 축전기'''란 [[파라핀]] 등을 스며들게 한 얇은 종이의 한쪽 면에 아연·알루미늄 등의 금속을 높은 진공 속에서 증발시켜 부착시킨 금속화종이를 2장을 포개서 감은 축전기이다. MP콘덴서라고도 한다. 얇은 금속막이 전극이 되고 그 사이에 1장의 종이가 절연물로서 끼워져 여러 층으로 쌓인 구조의 축전기가 된다. 전극이 얇고 원통으로 감은 구조로 표면적이 넓어서 소형 축전기를 만들기 쉽다. 전자부품에 쓰는 원통형 축전기는 이 방식을 사용한다. 하지만 전극이 대단히 얇기 때문에 종이의 작은 구멍에서 절연파괴가 일어나기 쉽다.

=== [[전해 축전기]] ===
극성이 있으며, 띠 있는 쪽이 음극이다. 보통 용량과 정격전압이 숫자로 씌어 있다. 누설전류가 조금 있으며, 초고역에서의 주파수 특성이 좋지 않다.

=== 마일러 축전기 ===
[[유전체 (물리학)|유전체]]로 [[폴리에스테르]] 등이 사용된다. 일반적으로 다른 종류보다 저렴해서 많이 사용된다.

=== 세라믹 축전기 ===
크기가 작고 납작하며 [[유전체 (물리학)|유전체]]로 [[세라믹]]이 사용된다. 고주파를 잘 흐르게 하므로 고주파 필터에 사용될 수 있다. 일례로 [[RC 자동차]] [[모터]]와 병렬로 연결하면 [[브러시]]로부터 발생하는 [[채터링]]을 접지로 보내는 역할을 하기 때문에 전파 간섭을 막을 수 있다.

=== 탄탈륨 축전기 ===
유전체로 [[탄탈럼]] 합금을 사용한 것. 전해 콘덴서와 유사하게 극성을 가지고 있으며, 비교적 쉽게 큰 용량을 만들 수 있다. 특성은 전해 콘덴서보다 매우 뛰어나지만, 내압이 작다는 단점이 있다.

== 전기용량 ==
평행한 축전기의 두 극판 사이의 거리가 일정할 때 양 극단에 걸린 전압 <math>V</math>가 클수록 더 많은 전하량 <math>Q</math>가 대전되게 된다. 여기서 <math>Q</math>와 <math>V</math>가 서로 비례관계에 있다는 것을 알 수가 있는데 여기서 <math>C</math>는 이들 사이의 들어가는 비례상수로서 역할을 한다. 그래서 양 극단에 걸린 전압 <math>V</math>가 같을 때 전기용량 <math>C</math>가 클수록 더 많은 전하가 대전된다고 할 수 있고
::::::: <math> Q = CV </math>
라고 쓸 수 있다.

=== 평행판 축전기 ===
두 개의 평행한 판이 서로 평행하게 나란하게 있는 축전기를 평행판 축전기라고 한다. 평행판 축전기의 면적을 <math>A</math>, 서로 떨어져 있는 거리를 <math>d</math>라고 하며 두판에 모두 전하 <math>Q</math>와 <math>-Q</math>가 대전되어 있다고 하면
:::::: <math>E = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}=\frac{Q}{\varepsilon_0A} </math>
식이 성립한다. 그리고
:::::: <math>\Delta V = Ed =\frac{Qd}{\varepsilon_0A} </math>
식이 성립하므로,이 식을 기존의 전기용량 식
::::::<math> Q=CV </math>
에다가 대입하면
::::::<math>C =\frac{Q}{\Delta V}= \frac{Q}{Qd/\varepsilon_0A}</math>
이 성립하게 되고 평행판에서의 전기용량
::::::<math>C=\frac{\varepsilon_0A}{d} </math>
를 알 수가 있다.

=== 원통형 축전기 ===
::::::[[파일:Cylindrical Capacitor.svg|섬네일|400px|오른쪽|원통형 축전기]]

원통형 축전기는 반지름이 다른 두개의 동축(同軸) 원통으로 구성된 축전기이다. 길이가 짧은 순서대로 각각 두 개의 동축 반지름을 <math>a</math>, <math>b</math>라 하고 길이를 <math>L</math>이라 할 때 길이 <math>L</math>이 반지름 <math>a</math>, <math>b</math>에 비해 매우 길다고 가정하면 [[가우스 법칙]]에 의해

::::::<math>q = \varepsilon_0EA = \varepsilon_0E(2\pi rL) </math>
이 성립한다.
이 식을 전기장 <math>E</math>에 대해서 풀면

::::::<math>E =\frac{q}{2 \pi \varepsilon_0 rL} </math>
가 나오고
::::::<math>V_f - V_i = - \int_{f}^{i} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{s} </math>
윗식을 사용해서 정리하면
::::::<math>V =- \frac{q}{2 \pi \varepsilon_0 L} \int_{b}^{a} \frac{dr}{r} = \frac{q}{2 \pi \varepsilon_0 L} ln \frac{b}{a}</math>
를 얻는다.
::::::<math>C=2 \pi \varepsilon_0 \frac{L}{ln(b/a)} </math>
를 얻는다.

=== 구형 축전기 ===
::::::[[파일:Spherical Capacitor.svg|섬네일|330px|오른쪽|구형 축전기]]
구형 축전기란 반지름이 서로 다른 두 구형껍질의 금속판으로 구성된 축전기다. 이 두 반지름 사이에 가우스 면을 잡으면
::::::<math>q = \varepsilon_0EA = \varepsilon_0E(4\pi r^2) </math>
가 된다. 이 식을 다시 E에 대해서 풀면
::::::<math> E=\frac{1}{4 \pi \varepsilon_0} \frac{q}{r^2}</math>
나오고 위의 원통형 축전기와 마찬가지로 풀어보면
::::::<math>V = - \int_{f}^{i} \mathbf{E} \cdot d\mathbf{s} = -\frac{q}{4 \pi \varepsilon_0}( \frac{1}{a}-\frac{1}{b})
= -\frac{q}{4 \pi \varepsilon_0}\frac {b-a}{ab} </math>
를 얻는다. 이제 Q=CV 이므로 C에 대해서 정리하면
::::::<math> C= 4\pi\varepsilon_0\frac{ab}{b-a}</math>
처럼 전기용량을 구할 수 있다.

이 밖에도, 구면 하나로만 이루어진 "축전기"도 자기 전기 용량({{lang|en|self-capacitance}})을 가지는데, 다음과 같다.
:::::<math>C=4\pi\varepsilon_0a</math>.
여기서 <math>a</math>는 구의 반지름이다.

== 축전기의 연결 ==
=== 직렬 연결 ===
::::::[[파일:Capacitors_in_series.svg |섬네일|330px|오른쪽|직렬 연결]]
위의 그림과 같이 축전기가 직렬로 연결되어 있으면 각 축전기는 동일한 전하량을 갖는다. 왜냐하면 <math>C_1</math>에 왼쪽 금속판에 (-)전지가 연결되어 있어 (-)전하를 띄면 <math>C_1</math>의 오른쪽 판이 (+)전하를 띄게 되는데, 이 <math>C_1</math>의 오른쪽 판이 <math>C_2</math>왼쪽 금속판에 다시 (-)전하를 띄게 만들기 때문이다. 또한 각 축전기마다 동일한 전하를 가지고 있으므로 전체 축전기에 걸리는 전압은 각 축전기에 걸리는 전압의 합과 같다. [[직렬 연결]]된 축전기의 합성 전기용량을 구해 보자, 먼저 각 축전기마다 동일한 전하량을 가지고 있으므로

::::::<math>V_1=\frac{q}{C_1}, V_2=\frac{q}{C_2} V_3=\frac{q}{C_3}</math>
이다. 전체 축전기의 전압은 세 축전기 전압의 합이므로
::::::<math>V = V_1 + V_2 + V_3 = q( \frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_3})</math>
이고, 전체 합성 전기용량은
::::::<math>\frac{q}{V} = \frac{1}{1/C_1+1/C_2+1/C_3} </math>
이것을 다시 풀어쓰면
::::::<math>\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}+\frac{1}{C_3} </math>
가 나온다.

=== 병렬 연결 ===
:::::::[[파일:Capacitors_in_parallel.svg|섬네일|330px|오른쪽|병렬 연결]]
위의 그림처럼 축전기가 병렬로 연결돼 있고 전지가 연결되어 있으면 각 축전기의 극판에 전지의 단자들이 모두 직접 연결되어 있다.그래서 각각의 축전기에는 동일한 전압 <math>V</math>가 걸리게 되고 그에 따라 전하가 대전된다. 다시 정리하자면 병렬연결된 축전기에 전압 <math>V</math>가 걸릴 때 전압 <math>V</math>는 각 축전기에 동일하게 걸리고 축전기에 저장된 총 전하량은 각 축전기에 걸린 전하량의 합과 같다. [[병렬 연결]]된 축전기의 합성 전기용량을 구해보자. 먼저, 각 축전기의 전하를 구하면
::::::<math>q_1=C_1V, q_2=C_2V, q_3=C_3V</math>
이다. 총전하량은 각 축전기의 걸린 전하량의 합이므로
::::::<math>q=q_1+q_2+q_3=(C_1+C_2+C_3)V</math>
이다. 그러므로 합성 전기용량은
::::::<math>C_{eq}=\frac{q}{V}=C_1+C_2+C_3</math>
로 쓸 수 있다.

== 축전기에 저장된 에너지 ==
축전기에 저장된 [[전기적 위치 에너지]]를 구하기 위해서 대전되지 않은 하나의 축전기를 생각해보자. 대전되지 않은 축전기의 한 극판에서 다른 극판으로 전자를 옮긴다고 할 때는 일이 필요하다. 그런데 전하를 옮길 때마다 축전기에는 전기장이 생겨 점점 더 많은 일이 필요하게 된다. 어느 한 순간에 한 극판에서 다른 극판으로 전하량 <math>q</math>를 옮긴다고 하자. 이때 양 극판의 전압차는 <math>V=q/C</math> 이고, 추가로 <math>dq</math>의 전하를 옮긴다고 하면 필요한 일은
::::::<math>dW=Vdq=\frac{q}{C}dq</math>
이다. 그러므로 <math>q=0</math>부터 <math>q=Q</math>까지 이동시키는데 한 일의 양은
::::::<math>W=\int dW=\frac{1}{C}\int_{0}^{Q}qdq=\frac{Q^2}{2C}</math>
이다. 이 일이 [[전기적 위치 에너지]] U로 축전기에 저장되므로
::::::<math>U=\frac{q^2}{2C}</math>
이다. 전하 대신 전압 <math>V</math>로 쓰면
:::::<math> U = {1 \over 2} CV^2 </math>
이 된다.

== 같이 보기 ==
{{위키공용분류}}
* [[전자기학]]
* [[전기]]
* [[전자공학]]
* [[인덕터]]

== 각주 ==
{{각주}}

{{전자 부품}}
{{전거 통제}}

[[분류:축전기| ]]
[[분류:에너지 저장]]
[[분류:18세기 발명품]]