전압계로 본 커패시터의 충전과 방전
교육과정: A-level RP9, Tle (dipôle RC), AP2, APC, Sek II
목표¶
커패시터의 충전 곡선과 방전 곡선을 기록하고, RC 시간 상수와 병렬로 연결한 커패시터 두 개의 정전 용량을 구합니다.
실험 장치¶
9 V 전압원, 전환 스위치, 10 kΩ 저항, 1000 µF 커패시터(\(\tau\) = 10 s)가 있고, 커패시터 양단에 전압계가 연결되어 있습니다. 스위치의 접점 “1”은 전압원의 (+)극에, 접점 “2”는 (−)극에, 공통 단자는 저항에 연결되어 있습니다. 위치 “1”에서는 커패시터가 저항을 거쳐 충전되고, 위치 “2”에서는 같은 저항을 거쳐 방전됩니다. 칼날은 접점 “2”에 있고, 커패시터는 방전된 상태입니다.
실험 방법¶
- 칼날을 접점 “1”로 옮기세요. 손잡이를 드래그하거나 매개변수 카드에서 위치 “1”을 선택하세요. 도구 모음의 시뮬레이션 시계를 보며 1분 동안 5 s마다 전압을 기록하세요.
- 칼날을 접점 “2”로 옮기고, 같은 방법으로 방전되는 동안의 전압을 기록하세요.
- 방전에 대해 \(U(t)\)와 \(\ln U(t)\) 그래프를 그리고, 기울기에서 \(RC\)를 구하세요.
- 부품 패널에서 커패시터를 하나 더 끌어다 첫 번째 커패시터 위에 놓고, 매개변수 카드에서 1000 µF으로 설정하세요. 케이블로 첫 번째 커패시터와 같은 두 버스에, 즉 병렬로 연결하세요.
- 칼날을 다시 접점 “1”로 옮기고, 시계로 전압이 5.7 V(9 V의 63%)에 이르는 데 걸리는 시간을 구하세요. \(\tau = R \cdot C\)로부터 두 커패시터 전체의 정전 용량을 구하세요.
예상 결과
충전: 10 s(\(\tau\)) 후 전압은 약 5.7 V(9 V의 63%)에 이르고, 50 s 후에는 거의 9 V가 됩니다. 방전: 10 s 동안 전압은 처음 값의 37%로, 즉 9 V에서 3.3 V로 떨어집니다. 방전의 \(\ln U(t)\) 그래프는 기울기가 \(-1/RC\) ≈ −0.1 s⁻¹인 직선입니다. 커패시터 두 개를 병렬로 연결하면 20 s 만에 5.7 V에 이릅니다. \(\tau\)가 두 배가 되며, 두 커패시터 전체의 정전 용량은 2000 µF입니다 — 병렬로 연결하면 정전 용량이 더해집니다.
질문¶
- 20 kΩ 저항을 사용하면 충전 시간은 어떻게 달라집니까?
- 충전 전류가 처음 순간에 가장 큰 이유는 무엇입니까?
- 방전할 때 저항에 흐르는 전류의 방향이 반대인 이유는 무엇입니까? 회로를 이용해 답하세요. 전하는 어디에서 어디로 흐릅니까?
- 이런 커패시터 두 개를 직렬로 연결하면 \(\tau\)는 얼마가 됩니까? 그 경우 정전 용량이 줄어드는 이유는 무엇입니까?
답
- \(\tau = R \cdot C\)가 두 배인 20 kΩ · 1000 µF = 20 s가 됩니다. 전압은 10 s가 아니라 20 s 후에 5.7 V에 이르고, 커패시터는 50 s가 아니라 약 100 s 후에 거의 완전히 충전됩니다.
- 처음 순간에는 커패시터가 충전되어 있지 않아 커패시터에 전압이 걸리지 않으므로, 9 V 전체가 저항에 걸리고 전류는 9 V / 10 kΩ = 0.9 mA입니다. 커패시터가 충전될수록 커패시터의 전압이 전압원과 반대 방향으로 작용하여 저항에 걸리는 전압이 줄어들고, 그에 따라 전류도 줄어듭니다.
- 충전하는 동안 전하는 전압원의 (+)극에서 접점 “1”, 공통 단자, 저항을 거쳐 저항 쪽을 향한 커패시터 극판으로 흘러가고, 이 극판은 (+)로 대전됩니다. 위치 “2”에서는 전압원이 닫힌 회로에서 빠집니다. 저항, 공통 단자, 접점 “2”가 그 극판을 (−)극에 연결하는데, 다른 극판도 (−)극에 연결되어 있으므로, 전하는 (+) 극판에서 저항을 거쳐 스위치 쪽으로, 즉 충전 전류와 반대 방향으로 되돌아 흐릅니다.
- 직렬연결에서는 \(1 / C = 1 / C_1 + 1 / C_2\)이므로 1000 µF 커패시터 두 개의 정전 용량은 500 µF이고, \(\tau\) = 10 kΩ · 500 µF = 5 s입니다. 두 커패시터에는 같은 양의 전하가 저장되고 전압원의 전압은 두 커패시터에 나뉘어 걸리므로, 같은 전하를 저장하는 데 두 배의 전압이 필요하여 \(C = Q / U\)가 절반이 됩니다.