[전기 이론] 인덕턴스, 커패시턴스, 리액턴스, 임피던스

 전자제품에는 전자회로기판이 들어가고 회로기판에는 다양한 소자들이 들어가는데 이 때, 전기에 관련하여 가장 기본적으로 들어가는 소자들은 대표적으로 레지스터, 인덕터, 커패시터이다.

회로 기판 / 출처 : https://kr.freepik.com/premium-photo/closeup-of-a-printed-circuit-board-with-components-such-as-resistors-and-integrated-circuits_21869142.htm

 

 레지스터(Resistor)는 저항기(抵抗器)라고도 부르며 전류의 흐름을 방해하여 전자제품의 조절을 도와주는 역할을 수행한다. 그 예로 선풍기의 회전속도를 제어하는 것을 예시로 들 수 있다.

레지스터 / 출처 : 위키백과

 

 인덕터(Inductor)는 리액터(Reactor)라고도 부르며 전류를 억제하는 역할을 수행하는데 이는 전원스위치를 키거나 끌 때 발생하는 급격한 전류 변화를 막고 제어하기 위하여 사용된다. 인덕터가 가지고 있는 성질을 인덕턴스(Inductance)라고 하고 기호로 L, 단위는 H(헨리)를 사용하며 관련 수식은 아래와 같다. 아래의 식에서 코일이 있다고 가정했을 때, 전류 I를 코일에 흘리면 자기장  Ø가 발생하고 코일을 N번 감을 수록 자기장의 세기가 더 커진다. 여기서 자기장의 세기 NØ에 I를 나누면 인덕턴스 L이 된다.

인덕터 / 출처 : 나무위키

인덕턴스 공식

 

 커패시터(Capacitor)는 콘덴서(Condenser)라고도 부르며 인덕터가 전류를 억제하는 역할을 수행했다면 커패시터는 전압을 제어해주는 역할을 수행하며 전하를 충전과 방전을 반복하여 안정적인 전압의 흐름을 제어한다. 커패시터가 가지고 있는 성질을 커패시턴스(Capacitance)라고 하고 기호로 C, 단위는 F(패럿)을 사용하며 관련 수식을 아래와 같다. 아래의 식에서 Q는 충전된 전하량이고 V는 전압이다. 결국, 커패시턴스는 충전된 전하량 Q에 비례하고 전압 V에 반비례한다.

커패시터 / 출처 : https://www.turbosquid.com/ko/3d-models/aluminum-electrolytic-capacitor-set-model-1667526

커패시터 공식

 

 리액턴스(Reactance)는 인덕턴스와 커패시턴스의 단위가 다르기 때문에 단위를 통일하기 위하여 사용하며, 기호는 X, 단위는 옴(Ω)을 사용한다. 인덕턴스는 유도성 리액턴스, 커패시턴스는 용량성 리액턴스라 부르며 식은 아래와 같으며 리액턴스는 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스의 합으로 정리된다.

리액턴스 공식

 

 임피던스(Impedance)는 교류에서 전류의 흐름을 방해하는 것을 의미하고 저항과 리액턴스를 합한 개념이다. 기호는 Z, 단위는 옴(Ω)을 사용한다. 임피던스는 복소수로 식을 나타낸다. 여기서 R은 실수부, 리액턴스는 허수부로 나타내는데 리액턴스를 허수부로 표현하는 이유는 인덕턴스는 자기장 성분으로 에너지를 축적하고, 커패시터는 전기장 성분으로 에너지를 축적했다가 방출했다가 반복을 하게 되며, 결론적으로는 전력을 소비하지 않고 방해하는 성분이기 때문이다. 또한 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스의 부호가 다른 이유는 전류의 위상차로 인하여 부호가 서로 다른 것이다.

임피던스 공식

 

 추가로 인덕터와 커패시터에는 시정수(時定數, Time Constant)라는 개념이 있는데 시정수는 어떤 회로, 물체, 제어대상이 외부로부터 입력을 얼마나 빠르게 혹은 느리게 반응할 수 있는 지표라고 할 수 있다. 결국, 인덕터와 커패시터가 자신의 업무를 얼마나 빠르게 수행할 수 있는지를 나타낸 시간이라 볼 수 있다. 인덕터는 RL 시정수라고 하고 커패시터는 RC 시정수라 하며 각각 시정수의 5배가 되면 과도응답 상태에서 정상상태로 도달한 것으로 보고 식은 아래와 같다.

시정수 공식

 

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