커패시터 Q와 극성에 관한 고찰...

 

 

커패시터에 관해서 배우다가 커패시터에 전압이 가해질 때, 커패시터의 양단에는 +Q, 다른 한 면에는 -Q의 전하가 모인다는 말을 들었다. 어떻게 크기는 같으면서 부호만 다른 전하가 양단에 모이는 걸까. 한 쪽만 +Q 또는 -Q가 될 수는 없을까? 아니면 한쪽은 2Q 다른 쪽은 (-)Q 이렇게는 못하나? 

 

그리고 왜 몇몇 커패시터 종류는 극성에 맞게 사용해야 할까... 안 그러면 터진다는데, 극성은 어떻게 정해지고, 왜 터지는걸까?

 

열심히 고민하다가, 결국 인터넷을 찾아보기로 했다.

 

커패시터의 작동 방식

 

 

커패시터의 동작 방식을 알면 될까라는 생각에 동작 방식에 대해서 열심히 찾아 읽어보았다.^{[각주:1][각주:2]} 커패시터의 작동 방식은 이러했다.

 

1. 커패시터 양단에 걸린 전압원(Voltage Source)이 연결된다.
2. 전압원의 -극에서 +극으로 전자가 이동하려고 한다. (전압원 -극 > 커패시터 > 전압원 +극)
3. 하지만, 커패시터의 양 극판은 서로 떨어져 있어서 전자가 +극까지 도달하지 못하고, 커패시터에 쌓이게 된다.
   (위 그림에서는 -극 쪽과 연결된 판에 쌓이게 된다.)
4. 전압원은 처음과 동일한 양의 전하를 가져야 하므로, 반대쪽 커패시터 극판에서 동일한 양의 전자를 가져온다.^[각주:3]
   (사실 이부분이 어떻게 이뤄지는지 아직까지 잘 모르겠다...)
5. 커패시터에 쌓여진 전자로 인해 생기는 반발력에 인해 더 이상 커패시터에 전압원이 전자를 줄 수 없게되는 때 까지 위 과정이 반복된다.

 

RC 곡선 전자를 줄 수 없을 때 까지 전자가 공급(충전)된다.

 

여기서 가장 중요한게 4번인데... 이렇게 되는 이유를 찾고싶어도 검색 능력이 부족해서 그런지, 원하는 답을 찾을 수 없었다. 처음에는 클롱힘 때문에 그런거 같다라고 추측했는데, 구글에 찾아보니 관련된 근거를 찾을 수가 없었다.

 

중학교때 듣기로는, 전지에는 전하가 -극 쪽에서 나와 +극 쪽으로 계속 이동해서 그 차이가 점점 줄어들때 까지 작동한다는 말이 기억나는데, 그거랑 관련이 있나 모르겠다. 아니면 Q가 같은 이유가 단순히 이상적인 환경이라서 그런건가?

 

글을 쓰다가 생각난 것인데 이렇게 생각해보면 어떨까? 전하가 사라지는 것이 없다고 가정한다. 우선 전압원에서 전자가 하나 커패시터로 들어가면 전하를 하나 잃은 것이 되고, 이 상태에서 전압원을 제거한다고 생각하면 커패시터는 원래 가지고 있던 전자양 +1, 전압원은 -1이 된다. 여기서 커패시터에 전구와 같은 부하를 달면 전하 1개는 영원히 남고, 이로 인해 전기장이 무한히 발생한다. (전하로 인한 전압 차가 생긴다.) 이는 현실에서 일어날 수 없는 일이다. 따라서 이런 일이 일어나지 않게 생각하기 위해서는 항상 같은량의 전하, 반대 극성을 띄는 전하가 충전되어야 하는 것이다...

 

라고 생각 할 수 있을려나 모르겠다.

 

커패시터의 극성

 

몇몇 커패시터는 미리 극성이 정해져 있어서 극성을 맞게 설치해야 하는데,(극성에 안맞으면 터진다.^[각주:4]) 왜 이렇게 되는지도 궁금해서 한 번 찾아보았다.^[각주:5] 

 

극이 없는 커패시터

 

극이 정해지지 않는 커패시터는 제조 시에, 두 도체판과 유전체를 독립적인 요소로 첨가한다고 한다. 이 때 두 도체판과 유전체는 서로 대칭적으로 이뤄져서 극이 어떻게 정해지든 상관이 없다(+-로 하든 -+로 하든).

 

극이 있는 커패시터(전해 커패시터)

 

하지만, 유전체 대신 전해질을 사용하는 커패시터는 위와 달리, 제조 마지막에 유전체 추가 작업을 한다.

 

여기에 사용되는 유전체는 산화막이다. 산화막은 공정 마지막 단계에서 전해질이 있는 도체 판에 DC전류를 흘러보내줌으로서 생성이 된다.^[각주:6] 이때 산화막은 전류의 방향에 따라 어느 부분에 산화막이 형성될 지 결정이 되고 (비대칭적) 이러한 점이 커패시터의 극을 만든다.

 

커패시터를 사용하기 위해서 공정과 동일한 극이 양단에 걸려야 정상작동을 할 수있다. 만약 반대의 극을 사용한다면, 산화 막이 무너지기 시작하고, 전류가 반대로 흐름과 동시에 전해질에 포함된 물이 수증기로 변하면서 부피가 증가하고, 이를 버티지 못하면 커패시터가 터진다. ^[각주:7]

 

 

 

여담

Q가 다를 수는 없다는 글을 하나 더 찾았는데...^[각주:8] 읽어봐도 잘 모르겠다... 어떻게 생각해야 하지...

 

전해 커패시터가 극이 없는 커패시터보다 커패시턴스가 큰 이유는 산화막을 엄청 얇게 만들 수 있으면서, +극 쪽의 표면을 엄청 크게 만들 수 있기 때문이라고 한다.^[각주:9] 아래 식에서 두 판사이의 거리인 d를 감소시킬 수 있고, A를 증가시킬 수 있어서 그런가 싶다.

 

[전기 용량 식]^[각주:10]

 

 

A - 도체판 하나의 넓이. 단위는 제곱 미터

d - 도체판 사이의 거리. 단위는 미터

C - 전기 용량. 단위는 패럿

ε₀ - 진공의 유전율. 단위는 패럿 매 미터

ε_r - 사용된 부도체의 유전상수 혹은 상대 유전율

 

 

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Series_RC_capacitor_voltage.svg

 

 

1. electronics.howstuffworks.com/capacitor1.htm [본문으로]
2. howtomechatronics.com/how-it-works/electronics/what-is-capacitor-and-how-it-works/ [본문으로]
3. www.quora.com/A-capacitor-is-connected-across-a-battery-why-does-each-plate-recieve-a-charge-exactly-same-amount-Is-this-true-even-if-the-plates-are-different-size [본문으로]
4. 동영상: youtube.com/watch?v=akCI_Hm9iE0 [본문으로]
5. www.quora.com/Why-ceramic-capacitor-is-non-polar [본문으로]
6. ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%ED%95%B4_%EC%B6%95%EC%A0%84%EA%B8%B0#축전_원리 [본문으로]
7. www.quora.com/Why-exactly-does-an-electrolytic-capacitor-explode-when-polarity-is-reversed [본문으로]
8. www.quora.com/What-happens-when-plates-of-a-capacitor-are-given-unequal-charges [본문으로]
9. en.wikipedia.org/wiki/Electrolytic_capacitor [본문으로]
10. ko.wikipedia.org/wiki/%EC%A0%84%EA%B8%B0%EC%9A%A9%EB%9F%89#개론 [본문으로]