평행판 축전기-가상실험

 

축전기와 전기용량

스마트폰의 터치스크린이 작동되기 위해서는 전기 에너지를 저장하는 장치가 필요하다. 전기 에너지를 저장하는 장치를 축전기라고 한다. 우리가 사용하는 대부분의 전자 기기 속에는 아래 그림과 같은 축전기가 사용되고 있다.

 

 | 축전기의 원리 |

마찰에 의해 한 물체를 대전시키면 발생한 전하들이 서로 밀어내어 흩어져 많은 전하를 보존할 수 없다. 많은 양의 전하를 보존할 수 있는 방법은 두 개의 도체를 적절하게 떨어뜨려 놓은 다음 한쪽 도체에는 (+)전하로 다른 한쪽은 (-)전하로 대전시키면, 전하들이 서로 잡아당김으로써 두 도체에 많은 양의 전하를 저장할 수 있다.

위 그림과 같이 얇은 금속판 두 개를 일정한 거리만큼 떨어뜨려 서로 평행하게 배열시켜 만든 축전기를 평행판 축전기라고 한다. 전기 회로도에서는 서로 길이가 같은 두선으로 축전기를 나타낸다. 

 

축전기에 전하를 모으는 간단한 방법은 아래 그림과 같이 축전기에 전지를 연결하는 것이다.

그러면 축전기의 한쪽 판 A에는 (+)전하가, 다른 쪽 판 B에는 (-)전하가 대전된다. 두 금속판 사이의 전위차가 전지의 전압과 같아질 때까지 전하가 이동하여 각 금속판에는 전하가 같은 양으로 분포한다. 이 상태가 되면 전지를 떼어도 두 금속판에는 전하사이의 전기적 인력에 의해 전하가 그대로 저장된다. 이와 같이 축전기에 전하를 모으는 것을 충전이라고 한다. 

 

금속판의 크기가 두 금속판 사이의 간격보다 매우 크다면, 대전된 평행판 축전기가 만드는 전기장은 (+)전하와 (-)전하로 대전된 두 개의 판이 만드는 전기장을 합한 것과 같다.

위 그림과 (가)같이 축전기 바깥쪽은 두 판이 만드는 전기장이 서로 상쇄되어 0이 된다. 그림 (나)와 같이 평행판 축전기 내부의 전기장은 균일하고, 전기력선은 간격이 일정한 평행선으로 나타낸다.

등전위면은 전기력선에 수직하므로, 평행판 축전기 내부에서는 금속판에 나란한 등전위면이 형성된다. 이때 두 금속판 사이에는 전위차가 있으며, (+)전하로 대전된 금속판이 (-)전하로 대전된 금속판보다 전위가 높다.

| 전기 용량 |

평행판 축전기에 저장된 전하량이 많을수록 두 금속판 사이의 전기장의 세기는 커지고, V=Ed에 의하여 두 금속판의 전위차는 증가한다. 즉, 축전기에 저장되는 전하량 Q는 금속판 사이의 전위차 V에 비례하므로 다음과 같다.

 

여기서 비례 상수 C를 축전기의 전기 용량이라고 하며, 단위는 F(패럿)이다. 전기 용량이 클수록 같은 전압으로 많은 전하량을 저장할 수 있다.

축전기의 전기 용량은 판의 넓이가 넓을수록 크다. 또한 전기 용량은 판 A, B 사이의 간격 d에 관계된다. 판 사이의 간격 d가 크면 정해진 전위차 V에 대해 전기장은 E= V/d이므로, 판 사이의 전기장의 크기는 작아지고 저장되는 전하량도 작아진다. 그러므로 판의 넓이가 S이고 두 판 사이의 간격이 d인 평행판 축전기의 전기 용량 C는 다음과 같다.

 

여기서 ε은 두 판 사이를 채운 물질의 종류에 관계되는 물리량으로 물질의 유전율이라고 한다.

 

 

출처 : 천재교육 물리2