물리학:축전기

틀:22개정 물리학 단원 보기

1단원. 역학과 에너지

1. 물리학:힘의 상호작용
2. 물리학:역학적 에너지 보존
3. 물리학:열에너지

2단원. 물질과 전자기장

1. 물리학:전기장과 전기력
2. 물리학:소비전력
3. 물리학:축전기

3단원. 파동과 정보 통신

배우는 이유

흥미적 이유	출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~)
직업적 이유	각종 이공계 학문의 기초. 전기기사, 전자기사 등 기사가 되기 위해. 기사는 간지나니까.
학문적 이유	전기의 흐름에 대한 기초.
너희들은?	배울 필요 없다 물리 공부 안할꺼라면 핸드폰 커페시터에 원리를 알 필요가 없다. 물리 공부할꺼라면 아마 필요할듯 싶습니다 움직임 센서, 스마트폰의 터치스크린이나 일부 마이크가 축전기를 활용했기 때문에 원리를 아는 것이 좋다. 축전기는 현대 전자 기기의 핵심 부품이기 때문이다. 우리가 매일 쓰는 스마트폰의 터치스크린이나 화면 회전을 인식하는 가속도 센서, 소리를 전기 신호로 바꾸는 마이크 등이 모두 축전기의 원리를 이용한다. 이 원리를 모르면 우리 주변의 첨단 기기들이 어떻게 작동하고 반응하는지 이해할 수 없으므로, 공학적 사고력을 기르기 위해 반드시 배워야 한다.
배워야 할 것	축전기의 병렬연결과 직렬연결에서의 합성 저항 구하는 법 축전기 원리 및 작동 과정 또 Q=CV 관련된 공식

도입

다양한 센서의 내부 구조를 보여주는 짧은 분해 영상이나 시뮬레이션을 함께 본다면 원리를 이해하는 데 더 큰 도움이 될 것 같다.

https://www.youtube.com/shorts/3puwIX1fu-Q

콘덴서 비행기. 전지는 비싸니까. 그리고 축전기는 가벼우니까.

학습

영상

수업	영상

수업요약

전개질문

1. 축전기에 전하가 저장되는 원리를 정성적으로 설명해봐요.
2. 축전기의 방전과정을 서술하시오.

학생들의 질문

수업 중 떠오른 질문

학생 질문	교사 코멘트
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!!
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!!
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;
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.
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.
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
축전기는 얼마나 큰 에너지까지 저장할수 있을까? 충전량을 더 올릴 방법은 없을까?	이상적으론 무한대 가능. 하지만 → 절연 파괴 → 물리적 한계 존재
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]
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.
전기장이 없다면 축전기는 전하를 저장할 수 있을까?	전기장이 없다면 전류 자체가 성립하지 않을듯;;
축전기 내부의 전기장은 균일할지 궁금하다. 차이가 하나도 없을까?	평행판 축전기의 경우, 균일합니다. 현실:→ 가장자리에서 왜곡 발생 (프린지 효과) 그런데, 현실에서도 무시하는 경우 많음.
축전기를 충전시켜놓고 회로에서 분리하고 오랫동안 안쓰고 다시 회로에 연결하면 방전될까?	이상적:→ 영원히 유지 현실: → 조금씩 방전됨 (누설, 양자역학적 효과) 즉, 완벽한 절연은 없다
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;
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
전류가 사람도 아니고 어떻게 가장 짧은 거리로 흐를까	물처럼 생각하면 됩니다. 그냥 저항이 적은 곳으로 흐름;
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.
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.
축전기 주변에 자기장이 형성되면 어떻게 변하나요?	좋은 확장 👍 정지 상태:→ 영향 거의 없음 변화하는 경우:→ 전자기 유도 발생 → 고급 전자기학 영역
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;
자동차 에어백은 사고가 나는 찰나의 순간을 어떻게 감지하고 터지는 걸까?	좋은 확장 👍 → 가속도 센서 + 회로 → 축전기 방전으로 순간 동작 → 물리 + 공학 연결 사례
전하에 의한 전위와 전지에 의한 전위의 변인의 차이?	전하:→ 공간 분포 전지:→ 화학적 반응으로 강제 공급
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)

상위개념 및 개쩌는 질문

분류	질문	대답

별로인 질문

분류	질문	대답

해결하지 못한 질문

분류	질문	대답
	ㄱ그냥 질문인데 실험할 때 오실로스코프에 나오는 주파수?를 실험때마다 똑같이 조정해야하는데 이게 안되요… 자꾸 그 일정한 주파수가 안맞춰져요. 어떻게 오실로스코프 잘 조절할 수 있을까요…?	오실로스코프에선 일정하게 주파수를 설정해서 일정한 흔들림의 전압을 가해줄텐데;;;?

코멘트 및 후배들에게

질문	대답

더 나아가기

교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들을 위하여.

보기 전에 먼저 생각해보세요~

수업 후, 흥미로운 것

시간이 남을 때에만 보세요~

답

축전기에 전하가 저장되는 원리를 정성적으로 설명해봐요.

학생 답변	교사 코멘트
전압에 의해서 한쪽 판에 있던 전자들이 다른 판으로 이동한다. 이때 두 판 사이에 전기장이 형성되며, 전기적 인력으로 인해 전하들이 판에 저장되게 된다. 두 금속판에 전압을 걸면 전자가 한쪽 판에서 다른 쪽 판으로 이동하며 (+)와 (-) 전하가 각각 쌓입니다. 이때 판 사이의 절연체나 공간 때문에 전자가 직접 건너가지 못하고, 서로 끌어당기는 전기력에 의해 전하가 판에 머물게 됩니다. 전압을 걸면 한쪽 금속판에는 전자가 모여 음전하가 쌓이고, 다른 쪽은 전자가 빠져나가 양전하가 된다. 전하는 직접 이동하지 못하고, 전기장이 형성되면서 그 상태로 전하가 저장된다. 두 개의 도체 극판이 절연체를 사이에 두고 떨어져 있는 구조에서 전지를 연결하면, 전지의 전위차에 의해 전자가 이동한다. 한쪽 극판의 전자는 전지의 +극으로 끌려가 극판이 +전하를 띠게 되고, 반대쪽 극판에는 -극에서 전자가 밀려와 -전하를 띠게 된다. 이때 양쪽 극판에 쌓인 +전하와 -전하 사이에는 서로 끌어당기는 전기적 인력이 작용하지만, 중간의 절연체 때문에 전하가 이동하지 못하고 양극판에 붙잡혀 저장되는 원리이다. 전지의 힘으로 전자들을 한쪽 판에서 다른 쪽 판으로 강제로 옮겨놓고, 두 전하 사이의 끌어당기는 힘을 이용해 그 상태를 붙들어 놓는것이라고 받아들였습니다. 건전지가 강제로 전자를 한쪽으로 몰아넣고 다른 쪽에서 빼앗으면, 마주 보는 두 판에 생긴 (+), (-) 전하가 서로를 강하게 끌어당기면서 도망가지 못하게 붙잡아 두는 현상입니다. 전위차에 의해 한쪽 극판에서는 전자가 빠져나가고 반대쪽 극판으로는 전자가 유입되면서 두 극판이 각각 (+), (-) 전하로 대전된다. 이때 극판 사이의 절연체가 전하의 직접적인 흐름을 막아주어 전하들이 각 극판에 머물게 되며, 그 결과 두 극판 사이에 전기장이 형성된다.	오... 거의 핵심을 다 잡았어요 👍 핵심 흐름은 이거에요: 전지가 전자를 “억지로” 이동시킴 → 전하 분리 → 절연체 때문에 전류가 흐르지는 못함 → 서로 끌어당기며 유지 즉, 전하를 분리한 상태로 가둬놓는 장치입니다. 특히 “강제로 옮겨놓고 붙잡는다”는 표현 아주 좋음.
축전기는 두 금속판 사이 간격을 둔 구조로 이루어져 있다. 여기에 전압을 가하면 한 쪽 금속판에는 전자가 모여서 음전하를 띠고 다른 쪽 금속판에서는 척력으로 인하여 전자가 빠져나가서 양전하를 띄게 된다. 그러면 두 판 사이에 전기장이 형성되게 되고 그 상태를 유지하므로써 에너지를 저장한다. 축전기는 두 도체판에 전압을 걸면 한쪽에는 음전하, 다른 쪽에는 양전하가 쌓이며 전하가 분리되어 저장된다. 이때 두 판 사이에 전기장이 형성되고, 전하를 계속 쌓기 위해 필요한 에너지가 이 전기장에 저장된다. 따라서 축전기는 전하의 분리를 통해 전기장 형태로 에너지를 저장하는 장치이다. 축전기는 두 금속판에 전압을 걸어 한쪽에는 음전하, 다른 쪽에는 양전하를 모은다. 이때 두 판 사이에 전기장이 형성되고, 전하를 분리하는 데 필요한 에너지가 이 전기장에 저장된다. 축전기에 전하가 저장되는 과정은 전기장이 형성되는 과정에서 두 판에 전압을 가하면 전자가 한쪽 판으로 이동하여 그 판에는 음전하가 축적되고 반대쪽 판에서는 전자가 빠져나가 양전하가 형성된다. 서로 다른 부호의 전하가 두 판에 마주 보며 쌓이게 되어 전기장이 만들어진다. 이 전기장은 단순히 존재하는 것이 아니라 에너지를 저장하는 역할을 한다.	예습을 한 친구들로 예상됨. 단순히 “전하가 쌓인다”를 넘어서 에너지가 전기장에 저장된다까지 갔어요. 이건 굉장히 중요한 포인트: 우리는 사실 “전하”를 저장하는 게 아니라 → 전기장(공간의 상태)에 에너지를 저장하는 겁니다.
축전기에 전압을 가하면 전압의 세기만큼 전하가 저장된다. 축전기 사이에도 척력이 작용하기 때문에 축전기를 충전하기 위해서는 이를 상쇄할 힘이 필요하기 때문이다. 두 판 사이에 전압을 걸면 한쪽에는 전자가 모이고 다른 쪽에는 전자가 빠져나가서 전위 차이로 인해 전기장이 형성된다. 그리고 이 전기장이 전하가 더 이동하는 것을 방해하다가 결국 전하가 다시 멈추면 전기장에 전하가 저장된다. 두 금속판의 전위차가 전지의 전압과 같아져 더 이상 전하가 이동하지 않을때까지 전하가 모여 전기 에너지가 저장된다.	충전이 멈추는 것까지 언급함. → 전기장이 점점 커지면서 추가 이동을 막는다 → 그래서 전지 전압 = 축전기 전위차가 되면 멈춤 이건 사실 “충전이 왜 멈추는가”까지 설명한 것이라서 좋은 접근.
전지의 +쪽과 연결된 판은 +전하가, -쪽으로 연결된 판은 -전하가 저장된다 회로의 전하가 흐르면 축전기 양 극판이 각각 양전하와 음전하로 충전된다. 전지가 전자를 공급하면서 한쪽은 -전하를, 한쪽은 +전하를 띄게 되어 인력이 생겨 같은 전하들이 몰려있지만 인력 덕분에 저장할 수 있음 전지에 연결하면 전압이 걸려 전자가 이동하여 전하가 축적된다 전기가 흐름에 따라 두 평행한 판 사이에 전하가 쌓이면서 전하가 저장된다. 한쪽 판이 플러스 전하로 대전되고, 다른 한쪽은 마이너스 전하로 대전되어 저장된다. 전류가 흐르게 되면 음전하가 -극에서 나와서 축전기 한 쪽을 -전하로 대전시키고, 반대쪽은 +극으로 대전이 되어서 전하가 저장되게 된다. 회로에 전류를 흘리면 흐르는 전하가 판에 쌓이는 것이다.	물어본 것은 원리였으나, 저장되는 현상에 대해서만 언급함.
전하를 띠고 있는 상태에서 회로의 흐름을 끊기게 만들면 전자가 이동하지 못하게 된다. 이에 따라 축전기의 양쪽 판이 전하를 띠고 있는 상태로 고정되면서 축전기에 전하가 저장된다.	왜 저장될 수 있는지 원리를 물은 것인데, 왜 흐르지 못하는지에 대한 설명을 해주었죠;
축전기는 전하 자체의 특성을 정의하여 차이가 있다.	문맥과 전혀 맞지 않음;;;

자주 나온 오개념

• 전류가 흐르면 자동으로 저장된다 → ❌ (전하는 멈춰야 저장)
• 회로를 끊어서 저장된다 → ❌ (이미 전기장으로 유지됨)
• 전하만 저장된다 → ❌ (실제로는 전기장에 에너지 저장)

생기부 기록 예시

	선생님코멘트