전기전자공학에서 저항(R),인덕터(L),캐패시터(C)와 기계공학에서의 질량(M),공기저항(D),스피링계수(K)의상관성과 유사성

   물체의 운동에 관한 성질

    역학에서의 관성이란 외력이 가해지지 않는 한 정지하고 있는 물체는 계속 정지하고 있으려 하고 움직이고 있는 물체는 계속 등속도로 움직이는 상태를 유지하려고 하는, 즉, 질량을 가진 물체가 현재 자신의 운동 상태를 유지하려고 하는 성질을 의미합니다. 그래서, 물체의 상태를 바꾸기 위해서는 물체에 힘을 작용시켜야 하며 가해준 크기만큼의 힘으로 물체는 반대 방향으로 반발하게 됩니다.

예를 들면, 마찰이 없는 평지에 정지하고 있는 물체를 움직이게 하기 위해 그 물체를 밀면, 마찰이 없다고 하여 힘 없이 주르륵 미끄러지는 것이 아니라 물체의 관성에 의한 반발 때문에 물체의 질량과 가속도에 비례하는 힘이 필요하게 됩니다. 만일 마찰이 없는 평지 위에 질량이 없는 상상의 물체가 있다고 하면, 이것을 움직이게 하는 데에는 전혀 힘이 필요하지 않기 때문에 슬쩍 건드리는 것 만으로도 빠른 속도로 움직이게 될 것입니다.만일 이와 같은 물체에 조금이라고 어떤 크기를 가지는 힘을 가한다면 관성에 의한 저항이 전혀 없기 때문에 물체는 가해준 힘을 지지하지 못하고 순식간에 밀려나면서 표현할 수 있는 한계를 벗어나는 무한대의 속도를 가지게 될 것이다. 

   인덕터

    전기회로에서도 이와 똑같은 현상을 볼 수 있습니다. 저항이 작은 도선은 폐경로만 만들어지면 아주 작은 힘(전압)으로도 거침 없이 많은 전류를 쉽게 흘릴 수 있습니다. 저항이 0인 가상의 도선에 아주 작은 전압을 가하게된다면 도선이 전압을 지지하지 못하기 때문에 무한대의 전류가 흐르게 됩니다. 그러나 이 저항이 0인 도선을 용수철 모양으로 감아 코일을 만들면 신기하게도 가해준 전압을 지지할 수 있는 능력이 생기게 됩니다. 이러한 성질을 가지는 부품을 인덕터라고 하는 것입니다.

    인덕터와 커패시터를 조합하면 [그림1], 인덕터의 자장에너지와 커패시터의 전장에너지가 서로 교환하면서 전압, 전류 등이 진동합니다. 이 진동은 스프링 - 질량 진동자에서 나타나는 진동과 매우 흡사합니다. 먼저 스위치 를 1위치에 두고 직류 전압으로 커패시터를 충전시킵니다. 그 다음 스위치를 2로 옮기면 커패시터에 충전되었던 전하가 저항을 거쳐 인덕터를 지나가면서 인덕터 전류를 형성합니다. 인덕터에의 전류는 흐르는 방향으로 계속 더 흐르면서 커패시터에 원래와 다르게 역방향 전하를 유한 시간동안 충전시킵니다. 커패시터의 역방향 전하는 유한 시간 후 다시 인덕터 쪽으로 방전되면서 인덕터에 전류를 역방향으로 형성합니다. 이 역방향 전류는 커패시터에 다시 맨 처음과 같은 극성의 전하를 유한 시간 동안 충전시킵니다. 이 상태가, 맨 처음 상태로, 또 다시 앞의 과정을 반복합니다. 즉 주기적인 진동을 계속 하게 됩니다. 커패시터의 전압이나 회로의 전류가 진동 형태를 이룹니다. 계속 진동하면서 저항에서의 에너지 소모로 진폭이 점차 줄어 드는 감쇠진동을 합니다. 이것은 물속 스프링-질량 진동자에서 나타나는 감쇠 진동과 흡사합니다.

그림1

   저항

   이 저항의 양단에 전압이 V로 걸렸을 때 저항 R에 흐르는 전류 I의 양은 V=IR에 의하여, I=V/R 입니다. 저항의 단위는 “Ω“으로 옴이라고 읽습니다. 이 식은 상당히 중요한 의미를 가집니다. 정해진 전압에 대하여, R의 크기를 적당히 바꾸면 우리가 원하는 전류의 크기를 R에 흘러가게 만들 수 있습니다. 결국, R은 전류에 대하여 수도 꼭지인 셈인 것입니다. 저항의 크기가 크면 작은 전류가,  저항의 크기가 작으면 큰 전류가 흐를 수 있습니다. "저항은 회로의 특정부분에 흐르는 전류의 양을 제한 할 수 있습니다." 바로 이것이 저항의 의미였던 것입니다. 일반적으로는 전류는 저항이 가장 낮은 경로를 찾아가는 성질입니다.

 

    또한 저항은 전류가 흐르는 것을 방해하는 특수 소자인데, 이는 저항을 무처럼 딱 잘랐을 때 단면적에 반비례하여 저항의 크기가 정해집니다. 그렇다는 얘기는 다시 말해 단면적이 커지면, 전류가 잘 지나가고, 그 말은 결국 저항이 작다. 반대로 단면적이 작아지면, 전류가 못지나가고, 그말은 또한 저항이 크다는 말이 됩니다. 또 하나는 길이 입니다. 길이가 길어지면 전류가 지나가기 힘들어 합니다. 그러면 직렬과, 병렬 연결에 대해서 생각해 본다면, 저항의 크기가 동일하다고 치고, 직렬 병렬을 비교한다면, 직렬의 경우에는 전류가 흘러 가는데, 계속 길게 저항이 늘어서 있으니까, 전체 저항의 크기는 커지고요, 병렬의 경우에는 전류가 흘러가는데, 길이는 그다지 문제가 안되고 전류가 갈 수 있는 길이 많아지므로 전체 저항의 크기는 작아집니다. 캐패시터와 인덕터는 주파수를 가진 전압 , 전류(교류 전압, 전류)입장에서 보았을 때 주파수에 따라 저항값이 틀리게 보입니다.  캐패시터의 경우에는 높은 주파수의 전압 일수록 저항을 못느끼고, 인덕터의 경우에는 높은 주파수의 전류 일수록 저항을 더 크게 느낍니다. 

   캐패시터

    교류전압이 캐패시터를 쳐다보면 높은 주파수 일수록 저항을 못느낍니다. 그러므로 교류성분은 통과, 직류성분은 통과 못하게 됩니다. 이것을 수식으로 나타내면 전압의 시간에 따른 변화율이 클수록 전류를 더 잘 통과시키며 저항이 작습니다. dV/dt = I / C 요렇게 표현할 수 있겠죠. 또 어떤 정해진 주파수에서 보면 C값이 크면 클수록 저항이 적게 느껴집니다.따라서 C는 캐패시터 용량으로서 상수입니다.

일정한 전류를 흘리기 위한 주파수 성분을 가진 전압에 대한 저항입니다. 일정한 전류를 흘리면서도 전압에 대해서는 낮은 주파수 성분의 전압은 통과를 못하게 합니다. 캐패시터는 이렇게 DC성분과 AC성분을 분리해 내는 능력을 가지고 있습니다. 그러므로 AC만 통과가 가능합니다. 결국 C 값이 클수록 전류는 많이 흐를 수 있습니다. 이렇듯 교류전압만 통과시키는 역할을 하니까 DC block, bypass cap 이라고도 부릅니다.