평행 판 커패시터: 정의, 공식, 그리고 응용

평행판 커패시터는 두 개의 도전성 판 사이에 전기장을 형성하여 전하와 에너지를 저장할 수 있는 장치입니다. 이 판들은 약간의 거리를 두고 배치되며, 배터리와 같은 전압 소스에 연결됩니다. 판 사이의 공간은 공기, 진공 또는 전기장에 의해 극화될 수 있는 유전체 물질로 채워질 수 있습니다.

평행판 커패시터란?

평행판 커패시터는 두 개의 금속 판이 동일한 면적 A와 반대되는 전하 Q를 가지고, 거리 d만큼 떨어져 배치된 구조입니다. 이 판들은 전압 소스 V에 연결되어, 그들 사이에 전위 차를 생성합니다. 판 사이의 전기장 E는 균일하고 판에 수직으로 형성됩니다 (도 1 참조).

판 사이의 전기장 E는 다음과 같이 주어집니다:

여기서 V는 판 사이의 전압, d는 판 사이의 거리, σ는 각 판의 표면 전하 밀도, ϵ0는 자유 공간의 허용률입니다.

전기장 E는 유전체 물질에서 극화 P를 유발하며, 이는 물질의 단위 부피당 딥올 모멘트를 나타냅니다. 극화 P는 유전체 내부의 효과적인 전기장을 감소시키고 커패시터의 용량 C를 증가시킵니다.

평행판 커패시터의 용량 C는 각 판의 전하 Q와 판 사이의 전압 V의 비율로 정의됩니다:

용량 C는 판의 기하학적 구조와 그 사이의 유전체 물질에 따라 달라집니다. 공기나 진공이 판 사이에 있는 평행판 커패시터의 용량 C는 다음과 같습니다:

여기서 A는 각 판의 면적이고 d는 판 사이의 거리입니다.

유전체 물질이 판 사이에 있는 평행판 커패시터의 용량 C는 다음과 같습니다:

여기서 k는 유전체 물질의 상대 허용률 또는 유전율이며, 전기장에 의해 얼마나 쉽게 극화될 수 있는지를 측정하는 무차원 양입니다.

유전체 물질의 상대 허용률 k는 항상 1보다 크거나 같습니다. k 값이 클수록 주어진 전압에 대해 더 많은 전하를 저장할 수 있으며, 따라서 용량이 더 큽니다.

평행판 커패시터의 응용

평행판 커패시터는 과학과 공학의 다양한 분야에서 많은 응용이 있습니다. 몇 가지 예는 다음과 같습니다:

• 필터링: 평행판 커패시터는 전기 신호에서 원하지 않는 주파수나 노이즈를 필터링하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 직류(DC) 신호를 차단하고 교류(AC) 신호를 통과시키거나, 전원 공급의 전압 변동을 평활화하는 데 사용할 수 있습니다.

• 튜닝: 평행판 커패시터는 전기 회로를 특정 주파수에서 공진하도록 조정하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 라디오, 텔레비전 및 기타 통신 장치에서 특정 채널이나 주파수 대역을 선택하는 데 사용됩니다.

• 센싱: 평행판 커패시터는 압력, 온도, 습도, 변위 등과 같은 물리적 양을 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 마이크, 온도계, 습도계, 가속도계 등에서 사용됩니다. 평행판 커패시터의 용량은 판 사이의 거리나 그 사이의 유전체 물질의 변화에 따라 이러한 물리적 양에 따라 변합니다.

• 에너지 저장: 평행판 커패시터는 전기장에서 전기 에너지를 저장하는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 손전등, 카메라, 제세동기 등에서 사용됩니다. 평행판 커패시터에 저장된 에너지는 다음과 같이 주어집니다:

여기서 U는 저울(J)로 저장된 에너지, C는 패러드(F)로 표현된 용량, V는 볼트(V)로 표현된 전압입니다.

요약

• 평행판 커패시터는 두 개의 도전성 판 사이에 전기장을 형성하여 전하와 에너지를 저장할 수 있는 장치입니다.

• 평행판 커패시터의 용량은 각 판의 면적에 비례하고, 판 사이의 거리에 반비례합니다. 또한, 판 사이의 유전체 물질에 따라 달라지며, 유전체는 효과적인 전기장을 줄이고 용량을 증가시킵니다.

• 평행판 커패시터는 필터링, 튜닝, 센싱, 에너지 저장 등 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 특정 주파수를 차단하거나 통과시키고, 원하는 주파수를 선택하며, 물리적 양을 측정하고, 전기 에너지를 저장하는 데 사용됩니다.

출처: Electrical4u.

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