전기기능사 필기- 유전율과 비유전율 이해

콘덴서와 정전용량을 알기 위해서는 유전율과 비유전율을 알아야 한다. 유전율은 전기를 유도해 내는 능력(전자를 잘 유도해 내는 능력)이고 비율전율은 기준이 되는 진공의 유전율에 대한 물질(유전체)의 비교유전율이다.

---

1. 유전율(Permitivity)과 비유전율

 

유전율(전매상수, 유전상수)은 전하 사이에 전기장이 작용할 때, 그 전하 사이의 매질이 전기장에 미치는 영향을 나타내는 물리적 단위이다. 매질이 저장할 수 있는 전하량으로 볼 수도 있다. 유전율은 그 매질에 가해진 전자기장의 주파수, 습도, 온도 등과 같은 여러 요인에 의해 영향을 받는다. 

 

 

분극(편극)

먼저 분극에 대해서 알아야 한다. 분극이란 절연체에 전기장(전류)을 가하면 절연체의 원자 내에서  +, - 가 분리(원자핵과 전자), 정열 되는 것(쌍극자)을 말한다.

 

이 분극현상을 이용하여 콘덴서에 전하를 축적할 수 있게 된다. 전하를 축적하는 능력을 정전용량이라고 한다. 이 분극이 얼마나 잘 되는가 이 절연체의 유전율이 된다.

분극현상

 

유전율(Permitivity)

물질의 유전율은 진공 중의 유전율에 대한 상대적인 값으로 나타낸다. 이 값을 유전상수라고도 한다. 실제 유전율은 상대 유전율(비유전율)에다 진공의 유전율을 곱해서 구할 수 있다.

 

유전율은 E(엡실론)으로 표기한다.

진공상태(진공 중)의 유전율은 Eo, 기준유전율이 되고 유전체(공기, 유리, 종이, 금속등)의 유전율 Es, 비유전율이라 한다. 이때 비유전율은 진공 중의 유전율과의 비교한 상대적 유전율로 보면 된다.

** 비유전율의 "비"는 아닐 "비(非)"가 아니라 비교할 "비(比)"라고 이해하면 될 것 같다.

 

절연체의 유전율은 "진공 중의 유전율의 몇 배가 되느냐"라는 것이다. 그래서 유전율 공식은 아래와 같이 나올 수가 있다.

 

E = Eo X Es [F/m]

   = 진공의 유전율 x 절연체(유전체)의 비유전율

E = (8.855x10^-12) X Es 

 

- 기본적으로 진공 중의 유전율  Eo = 8.855 x 10^-12 [F/m]이다.

- 공기, 진동의 비유전율(Es)은 대부분 1로 지정해 준다.

- 비유전율(Es)은 1보다 크다.

- 유전율의 단위는 패럿/미터,  [F/m]

 

유전율이 더 높으면 더 많은 전하를 저장할 수 있기 때문에, (저장된 전하량이 동일할 때) 유전율이 높을수록 전기장의 세기가 감소된다. 그래서 높은 유전율을 가진 물질을 축전기에 넣는 유전체로 사용하면, 축전기의 전기 용량이 커진다.

 

각 절연체의 비유전율(Es)

진공의 유전율은 = 진공의 유전율 x 진공의 비유전율

물의 유전율은 = 진공의 유전율 x 물의 비유전율

유전체	비유전율 (Es)	유전체	비유전율 (Es)
진공	1	유리	3.5~10
공기	1.00058	물(증류수)	80
종이	1.2~1.6	산화티탄	100
폴리에틸렌	2.3	로셀염	100  ~1,000
운모	6.7	티탄산바륨 자기	1,000 ~3,000

** 티탄산바륨의 유전율이 가장 크다.

** 산소의 유전율은 공기의 유전율로 보면 된다.

** 위 두 가지 내용은 전기 기능사 시험 문제로 가끔 나온다.

 

반응형

 

 

유전상수

위의 진공유전율을 바탕으로 유전상수가 만들어지는데, 모든 기초 공식에 들어가는 상수이다.

진공 중의 유전율 Eo = 8.855 x 10^-12 [F/m]

 

아래 식은 진공 중의 두 전하의 정전력(Force, N)을 나타내는 쿨롱의 법칙이다. 진공유전율을 사용하는 공식인데  1/ 4ㅠEo를 계산하여 유전상수를 수치화한 것이다.

1 / (4 x 3.14 x 8.855 x 10^-12) = 9 x 10^9

이를 바탕으로 정전력을 나타내는 쿨롱의 법칙을 다시 쓰면,

쿨롱의 법칙은 두 전기량의 곱에 비례하고 비유전율과 거리의 제곱에 반비례한다.

** 전자기 기초에 관련된 관련 모든 공식에 따라오고 공식을 묻는 문제가 나오기도 한다.  기초 이론 문제에 나오는 것이니 꼭 이해해야 할 것 같다.

 

문제)
진공 중에 같은 량의 점전하 0.5m 간격 0.1N의 힘이 작용하면 이때 점전하의 전기(전하) 량 [uC]은 얼마?

쿨롱의 공식에 대입, 답은 마이크로 쿨롱[uC]의 단위로 답을 요구한다. 
1 [uC]의 단위는  1x10^-6 [C]이다.

F [N]  = 9 x 10^9 x (Q1 Q2 /Es. r^2)
0.1  =  9 x 10^9 x (Q1 Q2 / 1 x 0.5^2)
**  Q1 Q2 = 점전하 한 개의 전기량을  물었으니 계산하다가 헷갈리지 않게 Q^2으로 계산하면 낫다.
Q^2 = (0.1 x 0.25 ) / ( 9 x 10^9) 
  = 0.025 / 9 x 10^9
  = 25 x 10^-3 / 9 x10^9
 ** 다음 계산을 위해  25 x 10^-3으로 표시하는 게 관건인 듯하다.

Q^2  = 25/9 x 10^-12
Q = √25/9 x 10^-12 , * 그대로 계산기를 두드리자
   = 1.7 x 10^-6 [C]
   = 1.7 [uC]

** 공식 외우기보다 계산문제를 푸는 게 더 어려운 것 같다.

 

반응형

2. 유전체의 유전율과 전기력선

유전율이  E인 유전체 내 Q(C)의 전하에서는

   Q 개의 전속(유전 속)이 나오고

   Q / E 개의 전기력선이 나온다.

 

  **  뭔 말인지 모르지만 Q개의 전속과 Q/E 개의 전기력선 이것은 더 공부하고 알아보자 

 

전기력선, Line of electric force

- 전계내에서 단위전하 +1 [C]이 아무 저항 없이 전기력을 따라 이동할 때 그려지는 가상선

- 전기력선은 두 전하 사이에 작용하는 전기력 벡터를 이어 선으로 표현한 것이다.

- 자석의 자기장이 만들어 내는 선과 비슷하다.

 

전기력선

 

전기력선속,  Flux of electric force lines 

- 이게 유전 속, 전속인가?
- 전기력 선속은 전기력선의 다발이다. 공간상의 한 면을 지나가는 전기력선의 수를 전기력선속이라고 한다.

 

**  아직도 이해가 안 된다. 공부가 부족하다는 말이다.

 

 

■■

---