2008-07-11
org.kosen.entty.User@2e3523fc
신보라(borashin)
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저유전체와 부도체의 차이는 무엇인가요?
알려주세요.
- lowk
- dielectric
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각 분야 한인연구자와 현업 전문가분들의 답변을 기다립니다.
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답변 1
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답변
이응신님의 답변
2008-07-12- 0
통상적으로 전기공학에서 정의하여 사용하는 개념과 물리의 전자기학에서 정의하여 사용하는 개념 사이에 차이가 있으므로 혼동을 할 수 있는 구분입니다. 또 그냥 관습적으로 사용하는 용어와 환경과 조건을 제한한 용어가 상당한 차이가 있습니다. 조건을 명확히 밝혀야 질문하신 답을 좀 더 명쾌하게 정리할 수 있습니다. 자세한 내용은 구글에서 '유전율'로 검색을 하면 위키피디아에 자세히 한국말로 설명한 내용을 확인할 수 있습니다. 관습적으로 도체와 부도체의 구분은 고체의 자유전하 존재 여부로 판단을 합니다. 고체를 구성하는 물질의 최외각전자들의 에너지 준위가 겹쳐 전자들이 전도대로 들어가거나 원자에서 전자들이 쉽게 떨어져나오는가로 알 수 있습니다. 통상적인 도체와 부도체의 자유전자 숫자는 엄청난 차이가 납니다. 반도체는 자유전자의 존재가 온도변화에 의존하는 물질을 말합니다. 도체와 부도체를 중고등학교 교과서처럼 전류의 흐름으로 구분을 한다면 경우에 따라 틀릴 수가 있습니다. 전자기파를 쏘았을 때 전자의 운동이나 고주파가 물질 양단에 걸렸을 때 전류의 흐름은 도체와 부도체를 전류의 흐름으로 구분하는 일이 얼마나 잘못되었는가를 알 수 있습니다. 부도체라도 유전체인 경우 고주파를 걸었을 때 변위전류가 흐르는 경우가 나오기 때문입니다. 따라서 이런 어려움을 피하기 위해 유전율을 복소수로 취급하여 직류와 교류를 모두 취급하고 있습니다. 액체에서 전류는 전해질과 비전해질에 따라 흐름이 달라지는데, 용액 속의 이온 존재와 농도에 따라 다릅니다. 이때도 도체와 부도체의 양분법이나 유전체의 구분으로 나눌 수가 없습니다. 유전체나 유전율은 전기장(electric field intensity)이 물체에 미치는 영향이나 물체의 구조가 전기장에 미치는 영향으로 정의를 합니다. 유전율은 물질이 없을 때 전기장의 세기와 물질이 있을 때 만들어지는 변위전기장(electric flux density)의 비로 정의를 합니다. 진공의 유전율을 실험으로 정하고 이 값에 대한 상대값을 유전상수(dielectric constant), 또는 비유전율로 정의합니다. 진공은 물질이 존재하지 않으므로 유전율이 있을 수가 없습니다. 그러나 실제로 전기력의 크기를 SI 단위계인 MKSA 단위로 나타낼 때 변환상수 때문에 등장하는 값입니다. 광속과 전자기파의 전기장과 자기장의 세기의 정의에 따라 실험적으로 정합니다. (자세한 내용은 전자기학 교재를 참고바랍니다) 쉽게 말해서 유전체는 외부에서 전기장이 가해졌을 때 물질을 구성하는 분자들의 전자들이 얼마나 분자내에서 한쪽으로 쏠려 (+),(-)로 분리되는가를 따라 구분하는 물질의 성질입니다. 유전상수가 큰 물질은 외부의 전기장에 의해 분자의 전자들의 쏠림이 심하게 일어나는 물질이고 유전상수가 작은 물질은 분자들의 결합구조가 단단해서 전자들의 쏠림이 많이 일어나지 않는 물질입니다. 전자들의 쏠림이 일어나려면 원자들의 결합이 얼마나 쉽게 (적은 에너지로) 되었는가, 최외각전자가 결합을 하고 남은 전자가 있는가, 전자를 잡아두는 원자핵과 거리가 얼마나 되는가 등이 영향을 미칩니다. 전자의 쏠림이 잘 일어나는 것과 쉽게 일어나는 것에도 차이가 있으므로 잘 일어나는 물질과 쉽게 일어나는 물질은 고주파의 주파수를 바꿔보면 알 수 있습니다. 부도체라고 해서 저유전체(이런 용어는 잘 사용하지 않습니다. 유전율이 낮은 물질, 또는 유전상수값이 낮은 물질 등으로 사용)라고 말하기 어렵습니다. 고체인 경우 운모와 같은 물질은 유전상수가 5 정도고, 유리는 2~10 정도의 값을 가집니다. 유리의 유전상수가 다양한 이유는 유리 속에 포함된 금속 성분 때문입니다. 어떤 유전체는 유전상수값이 1000 이나 5000 이 넘지만 직류전류가 흐르지 못합니다. 전류가 잘 흐르는 금속인 경우는 유전상수를 거의 물과 같은 81 정도로 가정하는 경우가 있습니다. 도체인 금속을 물과 비슷한 유전상수값으로 취급하는 것 자체가 물리에서는 용납이 되지 않으나 일반 산업계에서는 그렇게 가정하고 제품을 만듭니다. 물인 경우 증류수라면 부도체(비전해질)입니다. 그러나 유전상수는 81 입니다. 왜냐하면 물은 극성분자기 때문에 외부의 전기장에 대하여 물분자의 배치가 쉽게 바뀌어 외부 전기장에 영향을 많이 주기 때문입니다. 그러나 전류를 흐르게 하는 이온이 없으므로 전해질이라고 하지는 않습니다. 액체인 경우 에탄올이나 메탄올은 비전해질이나 유전상수는 24~30 정도 되므로 유전상수가 중간 정도의 값을 가집니다. 유전상수값이 낮은 물질(예를 들어, 마른 나무, 종이, 돌, 등유 등)은 대부분 부도체임에는 틀림없으나 직류전류에 해당하는 경우고 고주파와 같은 교류전류가 흐를 때는 변위전류(displacement current)가 흐르므로 부도체라고 하기도 어렵습니다. 따라서 유전체와 부도체, 도체 관계는 어떤 상황과 어떤 조건에서 말해야 하는가를 분명히 제한을 하지 않으면 올바른 답을 할 수 없습니다. >저유전체와 부도체의 차이는 무엇인가요? >알려주세요.