분극 (polarization)과 유전율 (dielectric constant)

  안녕하세요. 오늘은 축전기(capacitor)에 삽입된 유전체(dielectric)의 유전율이 축전기에 어떤 영향을 주는지 알아보도록 하겠습니다. 축전기의 금속판의 크기나 간격을 조절하지 않고 축전기의 에너지 저장 능력을 높이려면 유전율이 높은 물질을 금속 평행판 사이에 삽입하면 된다고 알려져 있습니다. 제가 지금부터 설명할 내용은 '왜 유전율이 높은 물질이 축전기의 에너지 저장 능력을 높여주는가'에 대한 내용입니다.

 

Fig 1. (a) 원자 혹은 분자의 분극, (b) 유전체의 분극

  유전체는 금속과 달리 자유전자가 없고 핵(nucleus)에 속박된 전자(electron)만 존재합니다. 그런데 핵에 속박된 전자라도 전하량을 가지고 있기 때문에 외부에서 전기장을 가해준다면 Fig 1의 (a)와 같이 전자가 한쪽으로 어느 정도는 쏠리는 현상이 발생합니다. 이 현상을 분극(polarization)이라고 합니다. 분극 현상을 유전체 전체로 따져본다면 Fig 1의 (b)와 같이 유전체의 한쪽 면은 +, 반대쪽 면은 - 전하를 띠는 현상이 발생합니다. 유전체에 빨간색 박스로 표시해둔 부분은 전하가 +, -로 반복되기 때문에 전하량은 0이 됩니다. 따라서 유전체는 표면쪽에서만 전하를 띠게 됩니다.  

 

Fig 2. (a)유전율이 작은 유전체의 유전체 표면 전하, (b) 유전율이 큰 유전체의 유전체 표면 전하 

  유전율이 높은 물질 일수록 전기장에 더 잘 반응하여 분극이 더 크게 발생합니다. 분극이 잘 된다는 뜻은 전자구름이 핵에서부터 좀 더 멀어질 수 있음을 뜻합니다. Fig 2의 (a)는 분극이 잘 되지 않은 유전체이고 (b)는 분극이 잘 되는 유전체입니다. Fig 2의 (b)를 보면 (a)에 비교했을 때 더 많은 전자구름이 왼쪽 표면에 노출(표면이 더욱 - 전하를 띤다) 되어 있고, 더 적은 전자구름이 오른쪽 표면에 노출 (표면이 더욱 + 전하를 띤다) 되어 있습니다. 따라서 Fig 2의 (b)의 유전체가 더 많은 전하를 표면에 가지고 있습니다. 

 

Fig 3. (a) 금속 평행판의 전하에 의한 전기장과 유전체 양 끝 면의 전하에 의한 전기장, (b) 전압원 V가 연결된 축전기

  유전율이 높아 유전체의 표면에 전하량이 클 경우 축전기 전체 전기장(금속 평행판의 전하에 의한 전기장 + 유전체 양 끝 면의 전하에 의한 전기장)의 크기가 줄어들기 때문에 금속 평행판에 더 많은 전하가 쌓여야 축전기가 전압 V로 도달할 수 있게 됩니다. 따라서 유전율이 큰 물질이 삽입된 축전기는 높은 에너지 저장 능력을 가지게 됩니다.

 

 

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