학문
교류 회로에서 위상차는 어떻게 발생하는 건가요?
저항뿐만 아니라 코일이나 커패시터가 포함된 교류 회로에서는 전압과 전류의 변화 시점에 차이가 발생할 수 있습니다. 이러한 위상차는 회로의 구성 요소와 어떤 관계가 있는지 의견 부탁드립니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
위상차는 부품이 전기를 저장했다가 돌려주는 성질에서 나와요. 저항은 전기를 받는 즉시 열로 써버리는 부품이라 전압이 오르면 전류도 그 순간 같이 오르고, 둘의 타이밍이 완전히 일치해요. 그런데 코일과 커패시터는 에너지를 잠시 담아두는 부품이라 반응이 한 박자 어긋나요.
코일은 전류 변화를 싫어해요. 전류가 흐르면 코일 주변에 자기장이 만들어지는데, 전류를 바꾸려 하면 자기장이 그 변화를 막는 방향으로 전압을 만들어요. 그래서 전압을 걸어도 전류는 자기장이 쌓이는 시간만큼 뒤늦게 따라와요. 교류에서는 전류가 전압보다 4분의 1주기 늦어지는 거예요. 커패시터는 반대예요. 두 극판 사이에 전하가 쌓여야 전압이 생기는 부품이라, 전류가 먼저 흘러 들어가야 뒤따라 전압이 올라요. 물통에 물을 부어야 수위가 오르는 것과 같아서 전류가 전압보다 4분의 1주기 앞서요.
세 부품이 한 회로에 섞이면 위상차는 그 사이 어딘가로 정해져요. 코일의 뒤처지려는 성질과 커패시터의 앞서려는 성질이 서로 상쇄하고, 저항이 그 크기를 조절해요. 주파수도 영향을 주는데 코일은 주파수가 높을수록 저항이 커지고 커패시터는 낮아지니, 같은 회로도 주파수에 따라 위상차가 달라져요. 둘이 딱 상쇄되는 주파수에서는 위상차가 0이 되면서 저항만 남는데, 이게 공진이고 라디오 주파수 선택이나 무선충전이 이 원리를 써요.
실무에서 이 위상차가 중요한 이유는 전력 때문이에요. 전압과 전류가 어긋나면 그 어긋난 만큼은 실제 일을 못 하고 전원과 부품 사이를 왔다 갔다만 하는 무효전력이 돼요. 공장의 모터는 코일 덩어리라 전류가 뒤처지는데, 여기에 커패시터를 달아 앞서는 성질로 상쇄시켜 위상차를 줄이는 게 역률 개선이에요. 위상차를 알면 회로가 에너지를 어떻게 주고받는지 읽을 수 있는 거예요 :)
안녕하세요. 박재화 전문가입니다.
교류 회로에서 위상차가 생기는 이유는 코일과 커패시터가 전기에너지를 잠시 저장했다가 다시 내보내기 때문입니다.
저항만 있는 회로에서는 전압과 전류가 거의 같은 시점에 변하지만, 코일이나 커패시터가 들어가면 변화 시점이 어긋나게 됩니다. 코일은 자기장에 에너지를 저장하기 때문에 전류의 변화가 늦게 따라오는 성질이 있습니다.
반대로 커패시터는 전기장에 에너지를 저장하면서 전류가 전압보다 먼저 변하는 특성이 나타나는데, 이 때문에 교류 회로에서는 전압과 전류의 파형이 서로 시간적으로 밀리거나 앞서는 위상차가 발생하게 됩니다. 코일과 커패시터의 크기, 교류 주파수가 달라지면 위상차의 크기도 함께 달라지게 됩니다.
결국 위상차는 회로가 전기에너지를 저장하고 다시 방출하는 과정에서 생기는 시간차로 보면 되겠습니다.
안녕하세요. 김재훈 전문가입니다.
교류 회로에서 RLC 각 소자는 에너지를 소비하거나 저장 방출하는 특성이 달라 전압과 전류의 시간적 시차인 위상차를 만듭니다 순수 저항은 전압과 전류가 동위상을 유지하지만 코일은 자속 변화를 방해하는 유도 기전력을 발생시켜 전류의 변화를 늦추므로 전압이 전류보다 90도 앞서게 됩니다 반면 커패시터는 전하가 축적된 후에 전압이 형성되는 특성 때문에 전압이 전류보다 90도 뒤처지게 됩니다. 결국 RLC 직렬 회로에서는 리액턴스 차이와 저항 값의 비율에 따라 전체 회로의 위상차가 결정됩니다
안녕하세요. 최정훈 전문가입니다.
교류회로에서 위상차는 코일과 커패시터가 에너지를 저장하고 방출하는 성질 때문에 발생하죠. 저항은 전압이 걸리는 즉시 전류가 흘러서 위상차가 없습니다. 하지만 코일은 전류 변화에 저항하는 자속을 형성합니다. 그래서 전류의 흐름을 늦추게 되는 거죠. 반대로 커패시터는 전하를 충전하면서 먼저 전류가 흐르고 나중에 전압이 차오르는 특성을 가집니다.
결과적으로는 코일이 포함된 회로는 전류가 전압보다 90도 늦어집니다. 그래서 지상 위상차가 나타납니다. 또 커피시터가 포함된 회로는 전류가 전압보다 90도 앞섭니다. 그래서 진상 위상차가 생기게 되는 겁니다.