도체와 전기 용량

도체는 내부 전장이 사라지도록 자유 전하를 재배열합니다. 전기 용량은 단위 전위차당 시스템이 저장하는 전하량을 측정합니다.

Definition

도체는 내부 정전기장이 0이 될 때까지 재분배되는 이동성 전하를 가진 물질이며, 전기 용량은 저장된 전하와 이를 유지하는 전위차의 비율로, 주어진 도체 구성에 대한 순전히 기하학적 속성입니다.

Scope

이 주제는 도체의 정전기적 거동(내부 전장의 소멸, 표면 전하, 표면에 수직인 전장, 등전위면)과 유도 전하, 정전기 차폐, 그리고 축전기 및 도체 시스템의 전기 용량 정의 및 계산을 다룹니다. 또한 축전기에 저장된 에너지와 전기 용량 계수 방법도 포함합니다.

Core questions

• 고정된 전위에 있는 도체에 전하는 어떻게 분포하는가?
• 도체 내부에서 전장이 사라지고 차폐 역할을 하는 이유는 무엇인가?
• 주어진 도체 기하학적 구조의 전기 용량을 결정하는 요인은 무엇인가?

Key concepts

• 도체
• 표면 전하 밀도
• 유도 전하
• 정전기 차폐
• 패러데이 새장
• 전기 용량
• 축전기 에너지

Key theories

도체의 정전기 평형

도체 내부의 전장은 0이며, 표면은 등전위면이고, 표면 바로 바깥의 전장은 표면에 수직이며, 모든 순 전하는 표면에 존재합니다.

기하학적 양으로서의 전기 용량

고정된 도체 배열의 경우 전하와 전위차의 비율은 일정하며, 전적으로 기하학적 구조와 주변 매질의 유전율에 의해 결정되며, 여러 도체의 경우 전기 용량 계수 행렬로 일반화됩니다.

Clinical relevance

전기 용량과 도체의 정전기학은 축전기 및 터치스크린 설계, 민감한 기기의 정전기 차폐, 제세동기 에너지 저장, 그리고 용량성 바이오센싱을 지배합니다.

History

1745년경 폰 클라이스트(von Kleist)와 반 뮈스헨브루크(van Musschenbroek)가 독립적으로 고안한 라이덴 병(Leyden jar)은 최초의 실용적인 축전기였습니다. 패러데이(Faraday)의 19세기 금속 새장 실험은 차폐를 입증했으며, 전기 용량의 단위인 패럿(farad)은 그의 이름을 따서 명명되었습니다.

Key figures

• Michael Faraday
• Ewald Georg von Kleist
• Pieter van Musschenbroek

Seminal works

• jackson1998
• griffiths2017

Frequently asked questions

패러데이 새장이 외부 전기장을 차단하는 이유는 무엇입니까?

도체 표면의 전하가 재배열되어 밀폐된 공동 내의 외부장을 상쇄하므로, 접지되거나 닫힌 전도성 껍질은 내부를 정적 및 많은 시간 변화하는 외부장으로부터 차폐합니다.

유전체를 삽입하면 전기 용량이 증가합니까?

예; 유전체는 분극되어 전장을 부분적으로 상쇄하므로, 주어진 전하가 더 작은 전위차를 생성하여 재료의 상대 유전율만큼 전기 용량을 증가시킵니다.