커패시터는 전기 에너지를 전기장의 형태로 저장하는 소자입니다. 이 과정은 기계식 스프링이 탄성 변형이라는 형태로 에너지를 저장하는 방식과 상당히 유사하며, 사용된 변수를 제외하고는 둘을 설명하는 계산이 상당히 유사할 정도입니다. 이 유사성이 전기 또는 기계 공학도들이 서로의 학문을 신비하고 난해하다고 생각하는 원인의 일부일 수 있습니다. "v"가 전기 공학도에게는 "전압"을 의미하지만 기계 공학도에게는 "속도"를 의미하며, 기계 공학도가 표현한 스프링이 전기 공학도에게는 오히려 인덕터처럼 보일 수 있습니다.
주의하십시오, 기계 공학도들!
평행판 커패시터의 개념은 일반적으로 대부분의 실제 커패시터 구조를 설명하기 위한 시작점으로 사용됩니다. 이 커패시터는 일반적으로 폴리머, 세라믹 소재, 금속 산화물, 공기 또는 가끔은 진공과 같은 여러가지 중 하나의 절연체에 의해 분리되어 서로 평행하게 위치한 두 개의 전도성 전극으로 구성됩니다.
사고방식이 기계적인 사람에게는 근본적으로 "스프링 상수"인, 이러한 커패시터의 값은 평행판 사이의 이격 거리가 면적에 비해 작을 때 아래의 공식으로 근사화 됩니다. 그러나, 기계적인 스프링 상수와 커패시터 값은 관례에 따라 역수 차원으로 표현된다는 점에 유의해야 합니다. 기계적인 스프링 상수는 일반적으로 변위 단위당 힘의 측면(미터당 뉴턴 또는 인치당 파운드-힘)으로 표현되는 반면에, 정전용량 값은 단위 힘당 변위 측면, 즉 전압당 쿨롱(coulomb)으로 표현됩니다.
실제로 판이 평평할 필요는 없습니다. 말려 있거나, 접혀 있거나, 구겨져 있거나, 쌓여 있거나, 저미어져 있거나, 깍둑썰기 되어 있거나, 잘게 썰린 구조도 동작하지만, 구조가 복잡해질수록 수반되는 계산은 다소 골치 아파집니다.
따라서, 커패시터를 더 큰 값으로 만들기 위해서는 면적이 더 큰 판을 사용하거나, 이격 거리 즉 유전체의 두께를 줄이거나, 또는 소재의 유전율(dielectric constant)을 증가시키면 됩니다. ε0를 건드리는 것은 거의 새로운 우주를 만드는 것과 같아서 이해관계의 영역 밖에서 다루기에는 다소 어려운 것입니다.
그렇다면 이 "유전율"이라는 건 도대체 무엇인가요? 훌륭한 질문입니다. 이는 본질적으로 소재의 특성으로, 전기장이 인가될 때에 다수의 메커니즘 중 어느 하나를 통해 전기적 극성을 띄게 되는 능력을 설명합니다. 이 메커니즘은 원자 수준으로, 원자의 핵을 둘러싼 전자 구름이 원래의 위치에서 벗어나 원자의 한 쪽은 약간의 양전하를 띠고 다른 쪽은 이에 상응하는 음전하를 띠게 됩니다. 인가된 전기장에 반응한 극성 분자 방향의 변화에 의해, 또는 기계적인 스프링의 소재를 휘거나 늘어나는 것과 매우 유사하게 분자 내 원자들 사이의 결합을 구부리거나 늘림으로써 분자 수준에서 발생할 수도 있습니다.
원자 사례에서 전자가 “날아가지” 않고 인접한 핵과 재결합하고, 분자 사례에서 분자가 전기장의 힘에 의해 분열되지 않는다면, 소재는 절연체로서 작용합니다. 전기장이 인가되어도 전하가 지속적으로 흐를 수 있게 하지는 않지만, 전기장이 형성됨에 따라 원자 주변의 전자가 이동하거나 분자의 방향 변경/왜곡으로 인해 일부 전하는 사실상 흐를 수 있게 됩니다. 인가된 전기장을 제거하면 유전체 내의 전자는 전자가 부착된 핵 주변의 정상 분포로 되돌아 가거나, 물질 내의 분자는 원래의 무작위한 방향 또는 모양으로 되돌아 갈 수 있습니다. 이 과정에서, 전기장이 인가될 때 커패시터를 통해 흐르는 전하 대부분은 반대 방향으로 흘러 회로로 되돌아갑니다.
소재의 비유전율(relative dielectric constant)은 진공에서 이 일시적인 전류 흐름을 가능하게 하는 정도 대비 소재가 할 수 있는 정도를 나타냅니다. 정해진 면적, 이격 거리, 그리고 전기장 강도에서 진공과 동일한 양의 전하 이동이 가능한 소재의 유전율은 1이고, 진공 대비 2배의 전하 이동이 가능한 소재의 유전율은 2가 됩니다.
다양한 커패시터 유형의 미묘한 차이는 대개 사용된 유전체의 특성과 주어진 소자를 만드는 방법에 의해 결정됩니다. 모든 유전체는 정해진 소재 두께로 견딜 수 있는 최대 인가 전기장, 유전율, 유전체와 전극에서 발생하는 손실, 그리고 인가된 전기장이 일정할 때 유전체를 통해 흐르거나 “누설되는” 전류의 양에 대해 한계가 있습니다.
영문 원본: Capacitor Basics