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1. 서론
1.1. 캐패시터의 정의와 특성
캐패시터는 전기 회로에 있는 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이다. 일반적으로 두 장의 절연된 금속 또는 전도도가 큰 도체를 전극으로 사용하며 두 금속사이에 절연체를 넣어 제작한다. 전극으로 사용되는 금속에는 +극과 -극이 유도되며 이로 인해 전기적 인력이 발생하고 해당 인력을 사용하여 에너지를 저장한다. 회로내에서 캐패시터는 전하를 전압으로 나눈 값으로 표현되며 기호 C로 표현되고 F, 패럿(farad)로 읽히는 단위를 사용한다. 1F는 1C의 전하가 1V의 전압으로 도체판 양단에 저장되는 크기이다. 교류회로에서 캐패시터는 용량성 리액턴스 Xc로 표현되며 이는 캐패시터에서 정현파 전류의 흐름을 방해하는 성질을 나타낸다. 용량성 리액턴스의 값 Xc는 2πfC의 역수와 동일하며, 회로에 흐르는 전류 I는 용량성 리액턴스 Xc에 반비례하고 정현파의 전압 V에 비례한다. 이를 통해 캐패시턴스를 구할 수 있다. 또한 캐패시터의 전류는 항상 전압보다 90도 앞선다.
1.2. 캐패시터의 리액턴스와 측정 방법
캐패시터는 전기 회로에 흐르는 전류를 차단하고 교류성분만을 통과시키는 장치이다. 캐패시터에 전압이 인가되면 캐패시터 양단에 전기적 인력이 발생하여 전기적 퍼텐셜 에너지가 저장된다. 이때 캐패시터에 흐르는 전류는 전압에 비해 90도 앞서게 된다.
교류회로에서 캐패시터가 전류의 흐름을 방해하는 성질을 용량성 리액턴스(Xc)라고 하며, 이 값은 2πfC의 역수와 동일하다. 따라서 캐패시턴스(C)와 주파수(f)를 알면 용량성 리액턴스를 계산할 수 있다. 한편 전압(V)과 전류(I) 또는 전압(V)과 저항(R)을 이용하여 캐패시터의 용량성 리액턴스를 실험적으로 측정할 수도 있다.
전압계와 전류계를 이용한 측정 방법은 캐패시터에 걸리는 전압(Vc)과 흐르는 전류(I)를 측정한 뒤 Xc=Vc/I 공식을 적용하여 리액턴스를 구하는 것이다. 전압(V)과 저항(R)을 이용한 측정 방법은 캐패시터와 저항이 직렬로 연결된 회로에서 각 소자의 전압을 측정한 뒤 Xc=Vc/VR*R 공식을 통해 리액턴스를 계산하는 것이다. 전압계-전류계 방식은 전류가 클수록, 전압-저항 방식은 전압이 클수록 더 정확한 리액턴스 값을 얻을 수 있다. [1]
캐패시터가 단락되면 캐패시터에 저장된 전하가 순식간에 방전되어 폐회로가 형성되지만, 이는 전체 회로에 큰 영향을 미치지 않는다. 결과적으로 용량성 리액턴스 측정 방법에 따라 약간의 오차는 있겠지만, 실험을 통해 2πfC 공식의 타당성을 입증할 수 있다. [1,2]
1.3. 실험 목적 및 내용 소개
이 실험의 목적은 캐패시터의 원리와 정의를 알고 숙지하며, 캐패시터의 리액턴스를 수식을 통해 구할 수 있음을 입증하는 것이다. 캐패시터는 전기 회로에 있는 전기 용량을 전기적 퍼텐셜 에너지로 저장하는 장치이며, 인가되는 전압이 교류인 경우 직류를 차단하고 교류성분을 통과시키는 역할을 한다. 이 실험에서는 전압계-전류계를 이용한 측정 방법과 전압과 저항을 이용한 측정 방법을 통해 캐패시터의 리액턴스를 결정하고, 두 ...
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