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정전용량(Capacitance)은 전기적인 에너지를 저장하는 능력을 나타내는 물리량이다. 쉽게 말해, 전하를 얼마나 저장할 수 있는지를 나타내는 값이라고 보면 된다.
1. 정전용량의 기본 개념
- 단위: 패럿(F, Farad)
- 공식:
- CC: 정전용량 (Capacitance, 단위: Farad)
- QQ: 저장된 전하량 (Coulomb)
- VV: 전압 (Volt)
→ 즉, 1V의 전압을 걸었을 때 저장되는 전하량이 1C라면 정전용량은 1F가 된다.
2. 정전용량의 특징
(1) 커패시터(콘덴서)와 정전용량
커패시터는 전하를 저장하는 역할을 하는 대표적인 전자 부품이다.
- 정전용량이 클수록 더 많은 전하를 저장할 수 있다.
- 전력 저장, 신호 필터링, 전압 조정 등에 활용된다.
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(2) 정전용량에 영향을 주는 요소
평행판 커패시터를 기준으로 정전용량을 결정하는 요인은 다음과 같다.
- A (면적): 두 전극판의 면적이 클수록 정전용량이 증가한다.
- d (거리): 두 전극판 사이의 거리가 멀어질수록 정전용량이 감소한다.
- ε\varepsilon (유전율): 유전율이 높은 물질(절연체)을 사이에 넣으면 정전용량이 증가한다.
3. 정전용량의 예시
(1) 스마트폰 터치스크린
스마트폰의 정전식 터치스크린은 손가락이 전극에 닿을 때 정전용량이 변하는 원리를 이용한다.
→ 손가락이 스크린을 터치하면 미세한 전하가 이동하면서 터치가 감지된다.
(2) 전자제품 회로에서의 커패시터
커패시터는 전자회로에서 다양한 역할을 한다.
- 전원 회로: 전력을 안정적으로 공급하기 위해 사용됨.
- 신호 처리: AC 신호를 필터링하여 노이즈를 제거하는 역할 수행.
(3) 배터리와 에너지 저장
초대형 커패시터(슈퍼 커패시터)는 배터리처럼 전력을 저장하고 순간적으로 높은 전류를 방출할 수 있다.
4. 정전용량 예제 문제
(1) 기본 예제
문제:
평행판 커패시터의 두 전극판 면적이 0.02m20.02 m^2, 두 전극판 사이의 거리가 1mm1 mm이며, 유전율이 8.85×10−12F/m8.85 \times 10^{-12} F/m인 경우 정전용량을 구하라.
풀이:
주어진 값:
정답: 177 pF (피코패럿)
5. 정리
- 정전용량은 전하를 저장하는 능력을 나타내며, 패럿(F) 단위를 사용한다.
- 정전용량은 면적이 클수록, 거리 가 작을수록 증가한다.
- 전자기기에 활용되는 대표적인 예로 커패시터, 터치스크린, 전원 회로 등이 있다.
이제 기본적인 정전용량 개념과 공식, 활용 사례를 알게 되었으니, 실제 전자회로 설계나 문제 풀이에 적용해보는 것도 좋은 연습이 될 것 같다.
여기 **평행판 커패시터(Parallel Plate Capacitor)**의 정전용량 개념을 나타낸 그림이다.
- Top plate (+Q)와 Bottom plate (-Q) 사이에 전하가 축적됨.
- Electric field (E-field)는 위에서 아래 방향으로 형성됨.
- Distance (d) 가 증가하면 정전용량이 감소한다.
- 공식 C=
을 참고하면,- Plate area (A) 가 클수록 정전용량이 증가.
- Distance (d) 가 멀어질수록 정전용량이 감소.
이 그림을 참고하면 정전용량 개념을 더 쉽게 이해할 수 있다.
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