전기재료 특성(유전율·투자율·도전율·저항율)

개념 정의

전기재료의 유전율, 투자율, 도전율, 저항율은 재료의 고유특성이다.

유전율과 투자율은 전계와 자계에 대한 재료의 반응을 나타낸다.

도전율과 저항율은 전류 흐름에 대한 재료의 특성이다.

관계식과 단위

먼저 네 물성의 관계식과 단위를 표로 정리한다.

유전율은 D=εE, 투자율은 B=μH로 정의되며 단위는 각각 F/m, H/m이다.

도전율은 J=σE, 저항율은 ρ=1/σ로 쓰며 단위는 S/m, Ω·m이다.

진공을 기준으로 ε=ε₀εᵣ로 쓰며, 상대값 εᵣ은 단위가 없다.

물성의 원리

재료의 유전율은 분극, 도전율은 자유전자 이동으로 설명된다.

전계가 가해지면 분극이 생겨 전기변위 D가 되고, D=εE가 성립한다.

같은 전계에서 자유전자가 이동하면 전류밀도 J가 되고, J=σE가 성립한다.

강자성체의 투자율은 자화로 설명되며, 자계가 커지면 포화되어 줄어든다.

계산 예제

길이 1000m, 단면적 100mm²인 20℃ 연동선의 저항을 구해 본다.

단면적은 100×10⁻⁶ m²로 환산하고, 저항율 1.72×10⁻⁸ Ω·m를 대입한다.

단위는 Ω·m·m/m²=Ω로 정리되며, 계산 결과의 단위는 Ω이다.

온도에 따른 저항

운전 온도가 다르면 저항율 값을 보정해서 쓴다.

온도 보정식 R₂=R₁[1+α(T₂−T₁)]에 구리의 저항온도계수 0.00393/℃를 쓴다.

40℃에서 저항은 약 0.186Ω이 되므로, 온도가 오르면 저항이 증가한다.

헷갈리는 점

답안에서 가장 흔한 실수는 저항율과 저항을 혼동하는 것이다.

저항율 ρ는 재료 고유값이고, 저항 R은 길이와 단면적에 따라 달라진다.

자속과 자속밀도를 같은 양으로 쓰거나 투자율 단위를 T로 쓰면 감점된다.

정리

정리하면 유전율과 투자율은 저장 특성, 도전율과 저항율은 전달 특성이다.

답안에는 네 값의 관계식, 단위, 물리적 의미를 모두 적어야 한다.

재료 값은 온도와 주파수에 따라 달라지므로 기준 조건을 함께 적는다.