유전체(誘電體, dielectric material)는 전기장 안에서 극성을 지니게 되는 절연체이다. 도체와 달리 유전체는 절연체이므로 전하가 통과하지 않지만 양전하에 대해서는 유전체의 음전하가, 음전하에 대해서는 유전체의 양전하가 늘어서게 되어 극성을 지니게 된다. 그 결과 유전체가 갖는 고유한 유전율에 따른 유전상수만큼 전기장의 전위차는 감소하게 되며 유전체는 감소한 전위차에 해당하는 에너지를 저장하게 된다. 이러한 성질 때문에 유전체는 전자기장 안에 있는 물질에 에너지를 저장하는 용도로 사용되고 있다. 유전체의 전기적 특징은 전자공학, 광학, 고체물리학 등에서 중요하게 다루어진다.
개요
정전기장을 가할 때 전기편극은 생기지만 직류 전류는 생기지 않게 하는 물질이다. 이는 전기장 속에 놓인 유전체 내부에서 무극성분자나 유극성분자 모두 전기쌍극자모멘트를 형성하여 주위의 전기장을 일정량 상쇄시키기 때문이다.
전기의 절연체를 전기장 내에 놓았을 때 표면에 전하(電荷)가 유기되는 현상이 있는데, 이러한 관점에서 절연체를 다룰 때 이것을 유전체라 하고, 표면에 나타나는 전하를 편극전하(偏極電荷)라 한다. 1837년 M.패러데이가 콘덴서의 극판(極板) 사이에 절연물을 끼우면 전기용량(電氣容量)이 증가하는데, 그것을 끼우기 전후의 전기용량의 비가 절연물의 종류에 따라 결정되는 데서 발견했다.
이 현상을 생성하는 메커니즘은, 자성체의 자기화(磁氣化)와 마찬가지로 전기장의 작용에 의해서 무극성분자에서는 분자 내의 양·음의 전하가 어긋나고, 유극성분자에서는 쌍극자모멘트의 방향이 가지런해져서 물질이 전체적으로 전기쌍극자모멘트를 가지게 되고, 이것이 콘덴서의 극판에서 전하의 작용을 얼마간 상쇄하기 때문이라는 것이 밝혀졌다.
유전체에 생기는 단위부피당 쌍극자모멘트 P와 전기장의 세기 E와의 비 P/E를 이 유전체의 편극률(偏極率)이라 하고, 이것을 콘덴서의 극판 사이에 넣었을 때와 넣지 않았을 때의 전기용량의 비를 물질의 유전율(誘電率)이라고 한다.
유전상수
왼쪽의 그림과 같이 축전기 사이에 유전체가 채워지면 유전체가 갖는 고유의 유전상수의 역수 만큼 전위차가 감소하게 된다. 유전체가 없을 때의 전위차를 ∆V₀ 라고 하고 유전체가 채워졌을 때의 전위차를 ∆V 라고 하면 다음과 같은 관계가 성립한다.
∆V = ∆V₀/k(k는 유전 상수)
이 때 감소된 전위차는 유전체에 전기에너지로 저장된다. 이를 전기용량이라고 한다. 유전상수가 높으면 전기용량 역시 커지게 된다. 유전체가 판 사이의 전 공간을 가득채운 평행판 축전기의 전기용량은 다음과 같은 수식으로 표현할 수 있다.
C = kⲈ₀(A/d)(k는 유전체의 유전상수, Ⲉ₀는 진공의 유전율, A는 평행판의 면적, d는 평행판 사이의 거리이다.)
위의 수식에서 보이듯 전기용량은 평행판 사이의 거리가 가까울수록 커지지만, 실제 방전이 일어나지 않고 유전체에 저장될 수 있는 전기용량은 한계가 있다. 이렇게 방전을 일으키지 않고 걸어줄 수 있는 최대 전기장을 유전체의 유전 강도라고 한다. 유전체에 유전강도를 넘어서는 전기장이 걸리면 절연 파괴가 일어나 방전된다. 일반적으로 공기도 유전체로 취급되지만, 공기가 절연성을 유지할 수 있는 전기장의 세기는 비교적 크지 않다. 이 때문에 전기회로에서는 높은 유전상수를 갖는 고체절연체가 쓰인다.
유전상수와 유전강도는 물질마다 고유값을 갖는다. 다음은 여러가지 물질의 유전상수와 유전강도이다.
상온에서 여러 물질의 유전상수와 유전강도
| 물질
|
유전상수 k
|
유전강도 10⁶ V/m
|
| 진공
|
1
|
-
|
| 공기
|
1.00059
|
3
|
| 종이
|
3.7
|
16
|
| 다이아몬드
|
5.7
|
100
|
| 유리
|
5 -10
|
8 -13
|
이용
축전기에 유전체를 사용하면 전기용량을 크게 늘릴 수 있고 최대 동작 전압 역시 증가하게 된다. 고체 유전체의 경우에는 축전기를 역학적으로 지탱해주는 효과도 있다. 실제 전기 회로의 설계와 구성에서는 다양한 종류의 유전체를 사용한 축전기들이 사용된다. 대표적인 유전체의 종류로는 세라믹, 탄탈리움, 실리콘필름 등이 있다.
참고자료
같이 보기
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