변위전류

변위전류의 정의

변위전류는 전속밀도의 시간 변화율로 정의되는 전류 밀도다.

정식으로는 전속밀도 D를 시간으로 미분한 값이다.

전하가 이동하지 않아도 자계를 만드는 원인이 되는 전류다.

전도전류와 변위전류

전도전류는 자유전자나 이온이 실제로 이동해서 생기는 전류다.

변위전류는 전하가 이동하지 않고 전속밀도가 변할 때 생기는 전류다.

전도전류가 없는 곳에서도 자계를 만드는 것이 변위전류다.

콘덴서 극판 사이

콘덴서를 충전하면 두 극판 사이로는 실제 전하가 통과하지 않는다.

극판 전하가 변하면 극판 사이의 전계와 전속도 함께 변한다.

이 전속의 시간 변화가 도선의 전도전류와 같은 크기의 자계를 만든다.

계산 예제

유전율이 2ε0인 절연유 콘덴서에 E = E0 sin ωt 의 전계가 걸린다.

전속밀도는 D = εE 이다.

전속밀도를 시간으로 미분하면 변위전류 밀도가 된다.

단위는 F/m × rad/s × V/m 이므로 결과는 A/m²가 된다.

도전율을 무시하면 전도 성분이 없고 변위전류만 남는다.

헷갈리는 점과 채점 포인트

시험에서 가장 흔한 실수는 변위전류를 전자의 이동으로 설명하는 것이다.

콘덴서 극판 사이에는 전자가 지나가지 않으므로 감점 요인이 된다.

유전체 내부에서는 ε = ε0·εr 을 써야 하고 단위는 A/m²로 적는다.

완전 유전체에서는 σ = 0 이므로 전도항이 0이 되고 변위항만 남는다.

정리

맥스웰은 암페어 법칙에 전속밀도의 시간 변화 항을 더했다.

그 결과 전도전류와 변위전류의 합이 자계 순환의 원인이 된다.

변위전류는 전자파 전파와 고주파 회로 해석의 기초가 된다.

정의, 추가 항, 유전체 계산을 함께 기억하자.