유전체와 분극
유전체(dielectric substance)란 전기적으로 절연 특성(비금속)을 가지면서 동시에 전기적 쌍극자 구조를 보이거나 또는 보이도록 만들어진 재료를 말한다. 즉, 양성체와 음성체가 분자 또는 원자 거리로 떨어져 있는 쌍극자 구조를 말한다. 쌍극자에 가해지는 전기장에 대하여 일으키는 반응은 유전체 재료를 커패시터(capacitor)로 이용할 수 있게 한다.
커패시터의 양단에 걸쳐 전압이 가해질 때 외부에서 가해지는 전기장의 방향, 즉 양에서 음으로 향하는 방향에 대응하여 한쪽 면은 양전하, 다른 쪽 면은 음전하로 대전된다.
커패시턴스 현상을 설명하는 데 가장 좋은 방법은 전기장 벡터(field vector)를 이용하는 것이다. 전기 쌍극자에 대한 고려를 양전하와 음전하가 분리되어 있는 것으로 시작하면, 하나의 쌍극자 모멘트는 그림 1과 같이 음전하에서 양전하로 향하는 방향성을 가진 하나의 벡터이다.
그림 1 d만큼의 거리로 분리되어 있는 두 개의 전하량(q)에 의해 생성되는 하나의 전기 쌍극자에 대한 개략도
이와 같이 쌍극자에 전기장(벡터량)이 가해지면, 힘[토크(torque)]이 전기 쌍극자에 가해져 쌍극자가 외부 전기장과 방향을 맞춰 정렬하게 된다. 이 쌍극자 배열 과정을 분극(polarization)이라 한다(그림 2).
그림 2 (a)전기장에 의하여 하나의 쌍극자에 부과되는 힘 (b) 전기장과의 최종적인 쌍극자 정렬
유전체 재료의 사용으로 커패시턴스 또는 유전 상수가 증가하는 것은 단순화시킨 분극 모델을 이용하여 설명할 수 있다.
그림 3 평행판 사이가 (a) 진공인 경우와 (b) 절연체로 차 있는 경우에 대한 커패시터