도체, 반도체, 절연체와 유전체

※ 도체 [electrical conductor]

전기 또는 열에 대한 저항이 매우 작아 전기나 열을 잘 전달하는 물체

 

※ 반도체 [semiconductor]

반도체는 도체와 절연체의 두 특성을 모두 가지며 열, 빛의 파장 등에 의해 절연 성능이 변화하는 특수한 도체이다.

실리콘이 반도체의 대표적인 물질로 저온에서는 절연체의 특성을 띄고 온도가 상승하면 자유전자의 이동이 활발해지며 도체의 특성을 띄게 된다. 그리하여 트랜지스터나 다이오드, IC [Integrated Circuit-집적 회로] 등의 소재로 널리 사용된다.

 

※ 절연체 [insulator]

전자들이 대부분 원자에 구속되어 있으며 자유 전자가 거의 없어서 전류가 잘 흐르지 못하는 물질로 유리, 종이, 고무, 나무 등이 있다.

쉽게 말해 도체의 반대말로 전기가 통하지 못하게 하는 물체이다. 따라서 부도체라고도 한다.

 

전기가 이런식으로 물질을 통해 흐르거나 흐르지 못하는 것만을 공부하는 것이라면 참 쉬울 텐데,

정작 중요한 것은 아래에 설명할 유전이라는 성질이다.

유전체는 절연체와 마찬가지로 전하가 통과하지 않는 물질인데 그 현상을 이용한 쓰임새가 다르다.

따라서 유전체=부도체=절연체는 모두 같은 말이다.

절연체 내에서 일어나는 정전기 유도 현상을 유전 분극이라고 한다.

이 현상은 절연체 내부의 인접한 분극들은 서로 상쇄되고 양 끝에만 전하가 유도된 것과 같으며 기본적으로 정전기 유도현상과 일맥상통한다.

 

※ 유전체 [dielectric material]

전기장 내에서 전기쌍극자 모멘트를 형성하며 극성을 띠는 절연체를 유전체라고 한다.

ie 축전기(Capacitor)등으로 사용된다.

(Condenser는 Capacitor의 옛말로 더 이상 사용하지 않는다)

 

 

이 유전체의 특성으로 인한 수학적 해석을 위해 유전율과 비유전율을 사용한다.

물질은 고유한 특성이 있고 그로 인해 전기장이 가해졌을 때 전하를 축적할 수 있는 정도가 다르다.

즉 절연체의 전기적 특성을 나타내는 계수이다.

 

-유전율 ε [permittivity]

전기장이 가해졌을 때 어떤 물질이 전하를 축적할 수 있는 정도.

도체의 경우 너무 큰 유전율을 갖고 있으므로 유전체(절연체)에서만 얘기한다.

유전율이 높다=분극이 잘된다=외부 전기장에 잘 반응한다=전하 축적이 크다

ε0 진공의 유전율=8.85*10^-12 [F/M]

 

-상대 유전율 = 유전상수 [dielectric constant] = 비유전율 [relative permittivity] =  εr = k

진공의 유전율에 대한 비율로, 유전율을 구할 때 유전상수*진공의 유전율 식으로 구한다.

∴ k=εr=ε/ε0 (유전상수=고유의 유전율/진공의 유전율)

유전상수 예시로는 진공=1, 공기=1.00059, 종이=3, 고무=7, 증류수=80 등이 있다. 아래 표 참조.

 

 

<같이 알아둘 것>

 

-전도율 σ [conductivity] = 도전율

부도체의 경우 너무 작으므로 도체에서만 얘기한다.

전도율이 높다=전자가 잘 이동한다.

 

-투자율 μ [permeability]

물질의 자기적 특성을 의미한다.

유전율이 전기장의 개념이라면 투자율을 자기장의 개념이다.

∴ μ=B/H (투자율=자속밀도/자계 강도)

도체와 부도체에서 모두 쓰인다.