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콘덴서(capacitor)

나는 실무 고급 엔지니어 또는 경력 수십년의 감각있는 전문가에 대하여 평가할 재간이 없다. 나 스스로도 그러한 수준에 있다고 자신하지는 못하기 때문이다. 하지만, 이런 고급기술자들은 실무 1년차들에게 많은 시간을 투자하면서 가르쳐 줄 분들이 많지 않다. 앞서 말했지만, 나의 불만은 여기에 있다. 말이 새고 있네... 

여하튼, 실무 1년차에서 중급정도는 서로 몇마디 해보면 금방 상대방의 수준을 확인할 수 있다. 각기 전문분야가 있겠지만, 공통이 되는 기초라는 것이 있기 때문이다.

"콘덴서는 뭐하는 것입니까? 한마디로 말해서..."

이 질문은, 내가 신입직원이 들어오면 제일 먼저 물어보는 것이 되었다.신입직원 실무 1년차들은 반응은 대체로 다음의 두가지로 압축된다.

"예? ...그게 그러니깐..."

이 대답이 제일 많다. 이 경우, 많은 사람들은 질문으로 받아들이기 보다 나한테 한 수 가르쳐주려고 하나부다...하고는 오히려 나의 다음 이야기를 기대하는 표정을 지으며 조용히 기다리고 있을 뿐이다.
다음으로, 나름대로 성실한 대답을 하는 신입직원의 경우, 

"콘덴서요? 아...콘덴서는 '충전 및 방전'을 하는 것인데 어쩌구 저쩌구..."

하고서는 끝을 어떻게 맺어야 할지 어려워 한다. 어쨌거나, 맞는 말이긴 하다. 교과서에서는 콘덴서, 그러니까 커패시터가 어떠한 작용을 하는지를 '충전'과 '방전'으로 결론을 짓는다. 하지만, 내 질문은 콘덴서의 물리적인 작동원리를 묻는 것이 아니라, 전자회로에서 어떤 역할을 하는 데 쓰이느냐고 묻고 있는 것이다.

약간의 실무경력이 있는 사람들은 그나마 자기가 콘덴서를 사용해 본 기능에 대한 구체적인 답변을 한다.

"바이패스나 필터에 사용하지요..."

그러면, 나는 다시 묻는다. 

"왜요?"
"...."

질문을 던진 내가 기대하는 답은,

"교류는 통과시키지만, 직류는 차단하지요."

하는 정도의 대답이었다. 물론, 콘덴서는 기본적으로 충전과 방전을 하며 발진회로에 필수적으로 사용된다. 하지만, 발진회로를 제외한 대부분의 경우에, 교류를 통과시키고 직류를 차단하는 데 사용된다.

"콘덴서는 직류는 차단하고, 교류는 통과시킨다."

이 말은 그냥 외우고 말아야 할 문장이 아니다. 이제부터 전자회로라는 것이, 전자소자라는 것이 어떻게 동작하는 지를 감을 잡아야 한다.

당신은 아마 많은 수학식을 풀어보고 레포트 제출하고 했겠지만, 이젠 그런 식으로 접근하지 말자. 가능하면 기초단계에서는 머릿속으로 상상해서 직관적으로(그러니깐 손으로든 머릿속으로든 그림을 그려가면서) 이해하는 방식으로 접근하자. 

어느 정도를 넘어가면 추상적으로(수학식으로) 표현해야 하는 일이 생기지만, 실무 1년차들은 그런데 너무 신경쓰지 말자. 아무리 긴 수학식을 풀었어도, 실무 1년차인 당신은 첨부터 다시 배워야 하기 때문이다. 

...

그러니깐, 전자가 흘러가는 길이 있고, 그러한 길을 회로라고 부른다. 그 길에는 어떠한 것들이 있을 수 있는가? 좀더 쉽게 전자를 공에다 비유를 해보자. 그리고 길을 비스듬하게 놓아보자. 그러면 공이 길을 따라 굴러내려가겠지? 전자는 그렇게 흐르는 것으로 볼 수 있다.

전자가 흐르려면 먼저 전기장이 필요하다. 전기장을 걸어주어야 전자가 흘러간다. "전기장을 걸어준다는 것"이 평평하던 길을 기울이는 것으로 생각해볼 수 있다. 뭔가 흘러갈 수 있도록 조건이 되어야 공이 굴러갈 것 아닌가?

"전기장이 있어야 전자가 흐를 수 있다" 

이 말은 마음에 꼭 넣어두자.

전기장과 전자를 구분할 수 있도록 참고로 한가지 이야기를 하자면, 사람들은 흔히 전류가 빛의 속도로 흐른다고 생각하는데, 그 말은 반은 맞고 반은 틀리다. 앞서 말했던 비유를 다시 쓰자면, 전자가 흘러갈 수 있도록 길을 기울이는 것은 빛의 속도를 따르지만, 그 위로 공이 흘러가는 속도는 빛의 속도가 아니다. 

즉, 전기장은 빛의 속도로 전파되지만, 그렇다고 우리가 흔히 보는 각종 전자회로에서 전자가 빛의 속도로 흘러가는 것은 아니라는 말이다. 실제로 전자가 전선속을 흘러가는 속도는 빛의 속도보다 무지 느리다. 다만, 이쪽 끝의 전자가 저쪽 끝까지 흘러가는 것이 아니라, 그저 옆으로 한칸씩 옮겨가는 것이기 때문에, 전기장이 걸리자마자 전체 도선에 전류가 동시에 흐르는 것이다.

내가 왜 맨 처음 콘덴서에서 이야기를 시작하느냐...콘덴서를 이해하는 것이 전기장을 머릿속에 그리기에 좋기 때문이다.


자, 그럼 다시 콘덴서로 돌아와보자.

주변의 회로는 생각하지 말고 콘덴서만 떼어내서 머릿속에 그려보자. 콘덴서의 한쪽에 건전지 (+)를 연결하고 반대쪽에 (-)를 연결한다. 그럼, 콘덴서에서는 어떤 일이 벌어질까?

다 알다시피, 콘덴서는 양쪽에 도체의 전극이 있고, 그 사이에 전자가 직접 흘러갈 수 없는 물질로 채워져 있다. 양쪽 전극에 건전지를 연결하는 순간 (-)전극에서는 전자가 흘러나오고 (+)전극에서는 전자를 끌어당긴다. 그래서 (-) 와 연결된 콘덴서의 전극에는 전자가 많아지고 (+)극 쪽에서는 전자가 모자라게 되면서, 콘덴서의 양 전극 사이에 전기장이 형성된다. 건전지가 1.5 V 짜리라면, 일단 콘덴서 양쪽에 1.5V 전압이 걸리게 된다.

그냥 눈으로만 읽어내려가지 말고, 아무 종이에다가 콘덴서 기호 하나 그려놓고 생같이 생각해보도록 하자.

자, 그러면...그 다음에는 어떤 일이 벌어질까?
먼저 한번 생각해보라.

그 다음에는 아무일도 벌어지지 않는다. 콘덴서의 전극 사이에는 전자가 직접 흘러갈 수 없기 때문이다. 

앞에서 말한 대로 하자면, "직류는 차단된다". 

이제 우리는 의문이 생긴다. 그러면, 전자가 흘러가지도 않는데, 교류는 어떻게 "흘러가느냐?" 물론, 당연한 질문이다. 여기에 바로 전기장의 비밀이 담겨있는 것이다. 

교류라는 것은 전자의 방향이 바뀌면서 흘러가는 것이다. 이번에는 콘덴서에 교류전압을 걸어보자.

먼저 -> 이방향으로 전자가 흐른다. 전자가 흘러가는 방향에 연결된 콘덴서 전극쪽에는 전자가 많아진다. 여기를 일단 (-)극이라고 부르자. 전자가 많아지면 전기장이 콘덴서에 형성된다. 반대쪽 전극의 전자들은 전기장때문에 반대쪽으로 밀려나면서 전자가 모자라게 된다. 즉, (+)극이 되는 것이다. 그럼, 교류를 걸어준 쪽의 반대편에는 전자가 흘러가게 된다.그다음으로 <- 방향으로 전자가 흐르게 되면, 이번에는 전기장이 반대로 형성되면서 전자를 끌어당기게 된다. 

이러한 일을 반복하면서 비록 콘덴서로 전자가 직접 흘러가는 것은 아니지만, 전자를 밀고 당기는 전기장에 의해서 건너편 도선에 전자의 흐름이(물론 왔다 갔다하는 교류가) 생기는 것이다.

...

자, 
지금까지 콘덴서가 어째서 "직류는 차단"하고 "교류는 통과"시키게 되는지를 알아보았다. 그리고, 전자회로라는 것이 그냥 전류가 흐르는 것도, 그냥 전자가 흐르는 것도 아니고 전기장의 변화에 따라 전자가 흘러가는 것이라는 것을 알 수 있게 되었다.

여기서, 반드시 짚고 넘어갈 것은, 실무 1년차인 여러분은 이런식으로 작은 소자 하나하나가 어떻게 움직이는 지를 이해해야 한다는 것이다. 한눈에 알아볼 수 있는 직관적인 "감"을 잡아야 한다.

물론, 나중에는 "어떻게 움직이는지(정성적인 작동원리)" 만이 아니라 "얼마만큼 움직이는지(정량적인 값)"를 수학적으로 계산해야 할 때가 오겠지만, 그 때는 이미 중급기술자가 되어 있어서 스스로 해결의 방향을 찾고 있을 것이다.

좋은 글이 있는데, 고맙게도 "본 내용은 자유로이 퍼가셔도 됩니다.(단,출처는 밝혀주시길...)" 라는 공유정신을 말씀해 주셔서 출처와 함께 가져왔습니다. 화이팅!  http://elec.slowgoing.org/ 

by 히언 | 2014/12/14 11:13 | Brain 몰랑몰랑 | 트랙백 | 핑백(1)

Linked at 친절한 임베디드 시스템 개발자.. at 2014/12/14 11:22

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