에너지 저장 장치로서의 커패시터

교육과정: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

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목표

충전된 커패시터가 에너지를 저장하며 전구를 켤 수 있다는 것을 확인합니다.

실험 장치

6 V 전압원, 스위치(닫힘), 10 Ω 저항, 0.47 F 커패시터가 직렬로 연결되어 있고(이만한 정전 용량을 가진 것은 슈퍼커패시터로, 내부 저항이 작은 셀을 묶은 것이며 정격은 6 V 이상입니다), 커패시터와 병렬로 6 V / 0.5 W 전구와 전압계가 연결되어 있습니다. 실험을 열면 커패시터는 방전된 상태에서 충전되기 시작합니다.

실험 방법

1. 전압계의 측정값이 더 이상 오르지 않을 때까지 약 20 s 기다린 다음, 그 값을 기록하세요.
2. 스위치를 열고 전구와 전압계를 관찰하세요.
3. 1단계에서 기록한 전압으로 저장된 에너지 \(W = C \cdot U^2 / 2\)을 계산하세요.

예상 결과

실험을 열면 커패시터가 충전되면서 전구가 점점 밝아지고, 15–20 s 뒤 커패시터의 전압은 약 5.2 V에서 안정됩니다 — 전압의 일부는 10 Ω 저항에 걸립니다. 스위치를 열면 전구는 바로 꺼지지 않고 30초쯤에 걸쳐 서서히 어두워집니다. 커패시터가 전구에 전력을 공급하고, 그 전압이 떨어지기 때문입니다. 저장된 에너지는 약 0.47 · 5.2² / 2 ≈ 6.3 J입니다.

질문

1. 스위치가 열려 있을 때 에너지는 어디에서 옵니까?
2. 정전 용량이 두 배인 커패시터를 쓰면 전구가 빛나는 시간은 어떻게 달라집니까?

답

1. 충전된 커패시터의 전기장에서 옵니다. 스위치가 닫혀 있는 동안 전압원이 커패시터에 약 6.3 J을 저장했고, 스위치를 열면 커패시터가 전구를 통해 방전되며, 그 에너지가 필라멘트에서 열과 빛으로 바뀌는 만큼 커패시터의 전압이 떨어집니다.
2. 빛나는 시간이 두 배인 약 1분으로 늘어납니다. 같은 5.2 V에서 커패시터는 두 배의 에너지, 약 12.7 J을 저장하는데, 전구는 각 전압에서 같은 전류를 끌어가므로 전압이 절반의 빠르기로 떨어집니다. 1단계의 충전 시간도 두 배가 됩니다.