물리학:축전기 편집하기 (부분)

=== 수업 중 떠오른 질문 ===
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!학생 질문
!교사 코멘트
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* 축전기 사이에 유전체가 있다면 축전기의 용량은 어떻게 변화하고 또 이를 어떻게 계산할까요? 실제 생활에서는 유전체가 아니더라도 사이에 다른 물질이 있을텐데 이를 계산하는법
* 판 사이에 유전체 끼우면 전기용량이 커진다는데 내부에서 정확히 무슨 일이 일어나는 건지 궁금해요
|이건 고급물리에서 제대로 다룸!
추후 미분과 적분을 자유롭게 다루게 되면 계산해 볼거에요!!
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* 금속판을 평행하지 않게 놓으면 어떻게 될까?
* 축전기가 서로 평행하지 않고 각도를 이루면 C의 값이 크게 변할까?
* 극판이 서로 평행하지 않은 상황을 반영했을때, 전기 용량의 변화가 궁금합니다
* 축전기의 형태가 평행판이 아니라 다른 모양이라면 어떻게, 그리고 얼마나 전기가 저장될까?
* 원통형 축전기보다 더 효율적인 축전기 구조에는 뭐가 있을까?
* 축전기의 금속판이 다른 모양이라면 어떨까? 예를 들어, 프링글스 모양이라면 회전시키는 것 등에 따라서도 전하량이 바뀔 수 있을까?
|이건 고급물리에서 제대로 다룸!
추후 미분과 적분을 자유롭게 다루게 되면 계산해 볼거에요!!
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* 거리가 가까워지면 전기용량이 커지는걸로 아는데 그럼 거리가 무한히 작아지면 전기용량이 무한대로 커질까요?
* 충전기 사이의 거리를 줄이다 보면 전기용량이 무한히 커지는데, 실제로 그렇지 않은 물리적 이유가 무엇일까요?
* 축전기의 두 판 사이의 거리가 가까워질 수록 전기를 더 많이 저장할 수 있다고 알고있는데 그럼 0에 매우 가깝게 줄인다면 무한대의 에너지를 매우 작은 곳에 저장할 수 있을까요?
* 극판의 간격을 한없이 가깝게 하게된다면 어떻게 될까?
|이론:
→ 거리 ↓ → C ↑ → 무한 가능

현실: 가해진 전압은 일정한데 거리가 줄면, 전기장이 커져야 함.  

→ 절연 파괴(방전) 발생  → 물질 한계 존재  

즉,

이론은 무한, 현실은 한계

ps. 질문. 진공이면 어떻게 되나요? => 오히려 절연체 놓은 것보다 잘 흐름; 망;
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* 축전기를 이루는 두 금속판의 재질이 변하면 전기용량은 어떻게 변할까?
* 극판의 두께도 축전기의 전하 저장에 영향을 미칠까
|이상적 상황:

→ 도체라면 재질 영향 거의 없음

하지만 현실: 도선에 저항이 있어, 충전, 방전 속도가 달라질 수 있지만 완충된 상태는 크게 차이 없음;

→ 표면 상태, 구조, 두께 영향 있음

두께, 이론적으로 영향 없음.
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* 배터리가 축전기보다 나은 점이 뭔가요
* 배터리와 축전기는 모두 에너지를 저장하는 장치인데, 왜 스마트폰의 주 전원으로는 축전기가 아닌 배터리를 사용하는 것일까?
* 축전기와 건전지는 어떻게 다른 것일까?
|아주 중요한 비교 👍

축전기:  

→ 빠른 충방전  → 순간 출력 큼 → 에너지 저장량 작음  

쓸수록 전압 떨어짐.  

배터리:  

→ 느리지만 오래 지속  → 화학 에너지 저장  

쓰면 내부저항 때문에 단자전압은 떨어지지만, 내부에서 생성되는 전압은 동일.  

그래서:

→ 용도 자체가 다름

ps. 베터리는(2차전지도) 수명이 있지만, 축전기는 수명이 굉장히 긺.
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* 축전기는 전하를 순식간에 내보낼 수 있는 방전 특성이 있는데, 왜 일반적인 배터리처럼 긴 시간 동안 일정한 전압을 유지하며 에너지를 공급하기는 어려운건가요?
|축전기: 저장된 전하량에 따라 전압이 변하기 때문.

배터리:→ 화학 반응으로 전압 유지

즉, 전압 유지 능력 차이
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* 축전기는 얼마나 큰 에너지까지 저장할수 있을까?
* 충전량을 더 올릴 방법은 없을까?
|이상적으론 무한대 가능.

하지만 → 절연 파괴  

→ 물리적 한계 존재
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|축전기는 언제 만들어지고 왜 만들어지게 된걸까요?
|왜: 전기연구를 하려면 전류를 지속적으로 흘려주는 무언가가 있어야 하는데, 당시 전지가 없었어요.
아마 패러데이가 만든 걸로 기억해요;;[정확하지 않음]
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* 판이 떨어져있는데 전류가 흐르는 원리가 궁금해요
|축전기는 밥그릇처럼 생각하면 편함. 밥그릇이 차기 전까진 담을 수 있지만, 차면 더 이상 못담음.
=> 전기를 담을 수 있는 그릇, 차기 전까진 받아들일 수 있음.
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* 전기장이 없다면 축전기는 전하를 저장할 수 있을까?
|전기장이 없다면 전류 자체가 성립하지 않을듯;;
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* 축전기 내부의 전기장은 균일할지 궁금하다. 차이가 하나도 없을까?
|평행판 축전기의 경우, 균일합니다.
현실:→ 가장자리에서 왜곡 발생 (프린지 효과)

그런데, 현실에서도 무시하는 경우 많음.
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* 축전기를 충전시켜놓고 회로에서 분리하고 오랫동안 안쓰고 다시 회로에 연결하면 방전될까?
|이상적:→ 영원히 유지
현실: → 조금씩 방전됨 (누설, 양자역학적 효과)

즉, 완벽한 절연은 없다
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* 저항을 병렬로 연결할수록 전체 합성 저항은 원래의 단일 저항보다 무조건 작아진다고 했는데. 만약 이 세상에 있는 저항을 무한 개로 병렬 연결한다면 전체 저항이 거의 0에 수렴할 텐데, 그럼 이런 방식으로 초전도체와 똑같은 상태를 만들어낼 수도 있을까?
|초전도체와 전혀 다름;
이유:→ 초전도체는 “저항 0 + 에너지 손실 없음”(옴의 법칙도 성립하지 않음.)


병렬연결에서 전류는 무한이 될 수 있지만, 에너지 손실도 그에 비례해서 엄청날듯;
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* 이상적이지 않은 회로(열손실을 고려할 때), 축전기의 충전과정에서 실제로 저장되는 에너지는 항상 CV^2/2라고 하는데, 저항 값이 어떻든, 항상 이런 결과가 나옴을 어떻게 증명할 수 있을까?
|그래프를 그려서 증명 가능해요!
ps. 전지가 한 일은 VQ
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* 전류가 사람도 아니고 어떻게 가장 짧은 거리로 흐를까
|물처럼 생각하면 됩니다. 그냥 저항이 적은 곳으로 흐름;
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* 초전도체에 전압을 걸으면 과연 전류의 세기는 어떻게 될까?
|좋은 질문 👍

이상적으로:
→ 저항 0 → 매우 큰 전류 가능  

하지만 현실:
→ 임계값 존재 (파괴됨)

→ 역시 “이론 vs 현실”

V=IR 이 성립하지 않는 지점. 변압 시에도 마찬가지.

에너지 보존식 IV 보존이 성립.
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* 스마트폰의 정전식 터치스크린에 물방울이 떨어지면 왜 손가락이 닿은 것처럼 오작동이 일어날까?
* 내 손가락으로 스마트폰 터치스크린을 터치할 수 있는 것은 나의 손가락과 스마트폰 터치스크린이 임시적으로 축전기를 형성하기 때문이다. 우리가 손가락으로 스마트폰을 터치할 수 있는 원리는 무엇일까?
* 터치스크린에서 여러 지점을 동시에 터치할 경우 잘 인식하는 이유가 센서가 여러개이기 때문인가요?
|실생활 연결 👍

핵심:
→ 정전용량 변화 감지

물:
→ 전기적 특성 때문에 오작동 가능

10개까지 터치 가능한 스크린도 있습니다만;; 내가 실무자가 아니라 구체적으론 잘 모르겠다;; 조사해 알려주면 세특.
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* 축전기 주변에 자기장이 형성되면 어떻게 변하나요?
|좋은 확장 👍

정지 상태:→ 영향 거의 없음  

변화하는 경우:→ 전자기 유도 발생  

→ 고급 전자기학 영역
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* 교통수단에 축전기를 설치하여 버려지는 동력을 이용해 금속판 사이 거리변화로 나오는 전류를 모아 전기에너지를 얻을 수 있지 않을까?
|아이디어 좋다 👍

실제로:→ 압전소자 등으로 유사한 기술 존재  

→ 에너지 회수 시스템과 연결됨

가능하나, 너무 미약함; 상용화까지는 어렵고 경제적으로...맞지 않음;
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* 자동차 에어백은 사고가 나는 찰나의 순간을 어떻게 감지하고 터지는 걸까?
|좋은 확장 👍

→ 가속도 센서 + 회로  
→ 축전기 방전으로 순간 동작  

→ 물리 + 공학 연결 사례
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* 전하에 의한 전위와 전지에 의한 전위의 변인의 차이?
|전하:→ 공간 분포

전지:→ 화학적 반응으로 강제 공급  
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* 직렬과 병렬이 같이 있을 때는 병렬부터 처리하나요?? 그래야 될 것 같은데 팁을 받고 싶습니다
* 일반적인 병렬, 직렬 회로 말고 특이한 회로 등에서도 항상 써먹을 수 있는 공식들이 있는지 궁금합니다
|순서는 이론적으로 상관 없지만, 실용적으로 병렬부터 처리해주는 게 편합니다.
특이한 회로에서도 키르히호프법칙은 항상 성립합니다.(에너지보존과 관련)
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