전기기능사 · 전기이론 과목
전기기능사 정전기와 콘덴서 개념 정리
중요도 ★★★★☆ · 15% (추정)
AI가 새로 쓴 글 가운데, 작성과 분리된 AI 검증(다시 읽고 사실·수치 확인)을 통과한 단원만 싣습니다. 틀린 곳을 발견하면 알려 주세요.
개요
정전기와 콘덴서 단원은 흐르지 않고 머물러 있는 전기, 즉 전하가 만드는 힘과 그 전하를 모아 두는 콘덴서를 다룹니다. 공식 수는 많지 않지만 저항 계산과 헷갈리게 만드는 문제가 자주 나옵니다.
두 전하 사이에는 힘이 작용합니다. 같은 종류의 전하끼리는 밀어내고 다른 종류끼리는 끌어당기며, 그 힘은 두 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례합니다. 이것이 쿨롱의 법칙입니다.
콘덴서는 전하를 저장하는 장치로, 저장되는 전하량은 정전용량과 전압의 곱입니다. 정전용량의 단위는 패럿입니다. 콘덴서를 여러 개 이을 때는 저항과 반대로 병렬은 그대로 더하고 직렬은 곱을 합으로 나눕니다. 콘덴서에 저장되는 에너지는 정전용량에 전압의 제곱을 곱하고 절반을 취한 값입니다.
핵심 개념
쿨롱의 법칙
두 전하 사이의 힘은 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례합니다. 거리가 2배가 되면 힘은 1/4 로 줄어듭니다.
외우는 요령'거리는 제곱으로 반대'. 거리가 3배면 힘은 1/9 입니다.
전하 사이의 힘의 방향
같은 종류의 전하(+와 +, −와 −)끼리는 서로 밀어내고, 다른 종류(+와 −)끼리는 서로 끌어당깁니다.
외우는 요령자석의 N극·S극과 같은 원리로 '같으면 밀고 다르면 당긴다'.
전하량과 정전용량
콘덴서에 모이는 전하량 Q는 정전용량 C와 전압 V의 곱입니다(Q = C × V). 정전용량의 단위는 패럿[F]입니다.
외우는 요령'큐는 씨브이(Q = CV)'로 소리 내어 외우세요.
콘덴서의 합성
콘덴서를 병렬로 이으면 정전용량을 그대로 더하고, 직렬로 이으면 역수를 더해 뒤집습니다. 두 개 직렬은 곱 ÷ 합입니다. 저항과 정반대입니다.
외우는 요령'콘덴서는 저항의 거울'. 저항 직렬 공식이 콘덴서에서는 병렬 공식입니다.
콘덴서의 저장 에너지
콘덴서에 저장되는 에너지 W = ½ × C × V² 이며 단위는 줄[J]입니다. 전압이 2배가 되면 에너지는 4배가 됩니다.
외우는 요령코일의 에너지(½LI²)와 모양이 같습니다. 콘덴서는 C와 V, 코일은 L과 I 짝입니다.
자주 나오는 포인트
- 콘덴서 직렬·병렬 계산을 저항과 똑같이 푼 오답 선지가 가장 많이 나옵니다.
- 쿨롱의 법칙에서 거리를 바꾼 뒤 힘이 몇 배가 되는지 묻는 문제가 자주 나옵니다.
- Q = CV 를 이용해 전하량이나 전압을 구하는 간단한 계산 문제가 나옵니다.
헷갈리는 것 비교: 저항과 콘덴서의 합성
| 구분 | 저항 | 콘덴서 |
|---|---|---|
| 직렬 | 그대로 더함 | 곱 ÷ 합 (역수 합) |
| 병렬 | 곱 ÷ 합 (역수 합) | 그대로 더함 |
대표 문제 3개
검수를 마친 예상문제 가운데 이 단원의 대표 문제입니다.
문제 1. 두 전하 사이에 작용하는 힘(쿨롱의 법칙)에 대한 설명으로 옳은 것은?
- ① 두 전하량의 곱에 반비례한다.
- ② 두 전하 사이의 거리에 비례한다.
- ③ 두 전하 사이 거리의 제곱에 반비례한다.
- ④ 같은 종류의 전하끼리는 서로 끌어당긴다.
▼ 정답과 해설 보기▲ 정답과 해설 접기
정답: ③ 두 전하 사이 거리의 제곱에 반비례한다.
핵심: 쿨롱의 법칙: 힘은 전하량 곱에 비례, 거리 제곱에 반비례
쿨롱의 법칙은 전기를 띤 두 물체(전하) 사이에 작용하는 힘의 크기를 알려 줍니다.
- 힘은 두 전하량의 곱에 비례합니다. (전하가 클수록 힘이 큼)
- 힘은 거리의 제곱에 반비례합니다. (거리가 2배 멀어지면 힘은 1/4)
- 같은 종류(+와 +, −와 −)는 서로 밀어내고, 다른 종류(+와 −)는 끌어당깁니다.
틀린 선지
- ① 전하량의 곱에는 반비례가 아니라 비례합니다.
- ② 거리에 비례하는 것이 아니라 거리의 제곱에 반비례합니다.
- ④ 같은 종류의 전하끼리는 밀어냅니다.
문제 2. 정전용량이 3μF와 6μF인 콘덴서 2개를 직렬로 연결했을 때 합성 정전용량은 몇 μF인가?
- ① 2μF
- ② 4.5μF
- ③ 9μF
- ④ 18μF
▼ 정답과 해설 보기▲ 정답과 해설 접기
정답: ① 2μF
핵심: 콘덴서 직렬은 저항 병렬처럼 (곱 ÷ 합)으로 계산
콘덴서(전기를 모아 두는 부품)의 합성 계산은 저항과 정반대입니다. 콘덴서를 직렬로 이으면 저항의 병렬처럼 계산합니다.
- 공식: C = (C1 × C2) ÷ (C1 + C2)
- 숫자 대입: C = (3 × 6) ÷ (3 + 6)
- C = 18 ÷ 9
- 답: C = 2μF
직렬로 이으면 합성값이 가장 작은 콘덴서(3μF)보다도 작아진다는 점을 기억하면 검산에 도움이 됩니다.
틀린 선지
- ② 4.5μF: 두 값의 평균입니다.
- ③ 9μF: 그대로 더한 값으로, 병렬로 연결했을 때의 답입니다.
- ④ 18μF: 두 값을 곱하기만 한 값입니다.
문제 3. 정전용량 100μF인 콘덴서에 200V의 전압을 가했을 때 콘덴서에 저장되는 에너지는 몇 J인가?
- ① 0.01J
- ② 1J
- ③ 2J
- ④ 4J
▼ 정답과 해설 보기▲ 정답과 해설 접기
정답: ③ 2J
핵심: 콘덴서 에너지 W = ½ × C × V²
콘덴서에 저장되는 에너지 공식에 넣어 계산합니다. μ(마이크로)는 100만분의 1이라는 뜻이므로 100μF = 0.0001F 입니다.
- 공식: W = ½ × C × V²
- 숫자 대입: W = 0.5 × 0.0001 × 200 × 200
- 200 × 200 = 40000
- 0.0001 × 40000 = 4
- 0.5 × 4 = 2
- 답: W = 2J
틀린 선지
- ① 0.01J: 전압을 제곱하지 않고 계산한 값(0.5 × 0.0001 × 200)입니다.
- ② 1J: 계산 실수로 나오기 쉬운 값입니다.
- ④ 4J: 앞의 ½을 곱하지 않은 값입니다.