콘덴서의 충전과 방전에 대해서 아주 긴 이야기를 할 것입니다. 꽤나 지겨운 얘기가 될 것입니다. 하지만, 분명하게 말씀드릴 수 있는게 있습니다. 하나로 통하는 원리를 깨치는 과정이고, 회로 탐구를 더욱 즐겁게 만들어 줄 생각의 도구를 만드는 과정이 될 것입니다. 원자와 전하에 대해서 더욱 깊숙한 기초를 만드는 시간을 가져 보겠습니다. 이전에도 전하와 전위에 대해서 다루었지만, 그것만으로는 콘덴서를 이해하기에는 역부족합니다. 콘덴서를 바라보는 좋은 생각의 도구를 만들어 줄 기초들을 좀 살펴 보겠습니다.
전기가 가장 잘 통하는 랭킹순으로 원자들 그림이 있네요. 구리가 금보다 전기가 잘 통합니다. ㅎㅎ저정도면 구리의 존재는 음향인에게 축북이라고 말할 수 있겠지요? 각설하고, 원자가 음전하와 양전하의 에너지를 뛰는 것는 전자(자유전자)의 움직임 때문입니다. 원소번호는 그 원자가 가지는 전자의 갯수를 뜻합니다. 보시다 시피 단순히 전자를 많이 가진다고, 전기를 잘 통하게 하는 것은 아닙니다. 전자와 자유전자는 다르기 때문입니다.
앞으로의 표기는 영문표기도 같이 제시 하겠습니다. 잘난체하기 위함이 절대 아닙니다. 첫째, 회로의 용어는 전부 다 한문표기기 때문에 그 직접적인 의미를 파악하기 힘들때도 있기 때문에 용어의 의미를 잘 파악하라는 뜻이고, 둘째는 나중에 여러분들이 크게 성장한다면, 회로에 관련된 자료는 국내는 좀 부실하기도 합니다. 영문표기도 그때 그때 함께 알아두면, 해외싸이트에서 정보를 얻을때 아주 크나큰 도움이 되기도 합니다. 그럼 전하에 대해서 좀 탐구를 해보겠습니다. 음향인에게는 무엇보다도 전하의 컨셉이 중요합니다. 콘덴서 사진을 보겠습니다.
왠지 모르게 친숙한 그림입니다. Negative charge connection 을 그 의미를 직접적으로 번역하자면,음전하 충전 단자 가 됩니다. Positive charge connection 은 당연히 양전하 충전 단자 가 됩니다. 너무 당연하게 양전하와 음전하의 영문표기는 다음과 같습니다. 회로에서는 종종 Charging 이라고 표현하면 충전을 의미하고, Charge 라고 할 때에는 그냥 전하를 의미하지만, 두가지 뜻을 같이 생각할 수 있는게 좋습니다. 따지고 보면 완전 똑같은 의미 이니까요. 충전이 되어야 전하를 뛰게 되니까요.
원자핵은 양의 에너지를 뛰고 있습니다. 원자핵은 양성자와 중성자로 이로어져 있습니다. 그래서 양의 에너지 입니다. 원자핵에서 양성자와 중성자를 뭉치게 하는 힘은 지금까지 발견한 힘 중에서는 가장 강력하다고 합니다. 그 힘을 강력이라고 합니다.
원자의 전자는 음의 에너지를 뛰고 있습니다. 전자가 원자핵에 묶이는 힘은 전자기력입니다. 전기력과 자기력을 얼렁뚱땅 통칭하는 힘입니다. 통칭하는 이유는 전기력과 자기력은 근본적으로 똑같은 힘이기 때입니다. 정설은 아니지만, 전자기력은 중력보다는 수십억배는 강한 힘이라고 합니다. 힘의 세기에서는 비교대상 되지 않습니다. 회로에서 다루는 힘은 당연히 전자기력입니다. 콘덴서는 두말할 필요도 없겠습니다. 각종 디바이스를 다 똑같은 놈이라고 통칭하는 이유가 여기에 있습니다. 하나의 힘입니다. 우주에 존재하는 힘의 세계도 중요한 기초입니다.
평소에는 위의 원자 그림 처럼 원자핵과 전자는 양과 음의 완전한 균형을 이루기때문에 전하를 뛰지 않습니다. 그러니까 다음처럼 정의 할 수 있습니다.
Positive charge 양전하 -자유전자를 다른 원자에 보내주었기 때문에, 원자 전체가 양의 에너지를 뛴 상태의 원자를 말한다. 즉 에너지의 완전균형 상태에서 음의 에너지 일부가 빠져나가서 양의 에너지값을 가지는 원자다.
Negative charge 음전하 -자유전자를 다른 원자에서 얻어서 원자 전체가 음의 에너지를 뛴 상태의 원자를 말한다. 즉 에너지의 완전균형 상태에서 음의 에너지가 더욱 유입되어서 음의 에너지값을 가지는 원자다. 그러니까 자유전자의 방향성이 양전하와 음전하를 결정하는 것입니다.
그리고 사진처럼 양전하와 음전하는 서로 끌어 당기는 인력이 작용합니다. 콘덴서는 그 인력을 이용하기 때문에 단순히 철판 두장 만으로 충전이 가능한 것입니다. 그림을 보시다 시피 양전하만 무한정 충전시킬수는 없습니다. 양전하가 충전되는 만큼 그 양전하를 잡아주는 음전하도 역시 충전되어야 합니다.나중의 얘기겠지만, 콘덴서는 전압을 초월해서 신호(Signal)를 전송할 수 있는 능력이 있습니다. 이걸 이해하지 못하게 하는 가장 큰 이유는 양전하와 음전하가 동시에 똑같은 균형을 이루면서 양 전극에 충전되는 원리를 생각의 연장으로 이용 못하기 때문입니다. 쉽게 말해서 기초가 너무 부족하기 때문입니다. 너무 너무 극심하게 중요한 내용입니다.
#A급 증폭회로(Class A) ~그림의 콘덴서 두개는 전부 커플링 콘덴서이다. 커플링 콘덴서의 주된 용도는 전압을 초월한 신호(Signal)전송에 많이 이용된다. 디커플링 콘덴서도 똑같다. 원리는 하나 뿐이다. 트랜지스터의 회로상에서 작동을 완벽하게 이해하기 어렵다고 하는 것은 트랜지스터가 진짜 어려워서 하는 말이 아니고, 콘덴서가 어렵기 때문이다. 콘덴서를 바라보는 생각의 도구를 충실하게 준비하다 보면, 저정도 회로도는 아무 생각없이도 보는 순간 바로 파악될 것이다. 도구를 가지고 바라볼 때에는 너무나 간단하게 보이기 때문에 생각하고 말고 할 것이 없다. 역으로 위 그림이 완벽하게 파악된다면, 이번 회로 연재를 볼 필요가 없다.
오디오 자작인의 흔한 비애가 있다. 어디서 유명한 회로도를 차용해서 그대로 만들었지만, 소리가 엉망이다고 불평하는 목소리는 아주 흔하다. 대개의 경우 디커플링 콘덴서같이 너무 당연한 것은 굳이 회로도에 일일이 복잡하게 그리지 않는다는 점을 알고 있어야 한다. 그래서 디커플링 분야는 창의성으로 채워야 한다. 안목이 있어야 차용도 제대로 할 수가 있는 법이다. 오디오 자작인의 비애는 초보때만 겪는 경험은 아니다. 생각의 도구를 만들지 못하면, 무한 반복하는게 자작인의 비애다. 회로도 차용뿐만 아니라, 아무런 준비없이 새로운 매칭을 시도할때도 마찬가지다. 회로하는 사람들은 복잡한 것을 아주 싫어한다. 너무나 당연한 것은 절대로 복잡하게 따로 표시하지 않는다. 위 그림을 더 간단하게 그린다면, 너무나 당연한 저항은 전부 생략도 가능하다. 반대로 복잡하게 세세한 디바이스까지 일일이 다 그려서 열배는 더 복잡한 그림으로 얼마든지 만들 수 있다. 남의 회로에서는 너무나 당연하기 때문에 생략한 부분은 통찰력으로 집어 내고, 부족한 부분은 창의성으로 채워 넣어야 한다. 소리의 감성까지도....
여기서 잠깐 시각을 달리해 보겠습니다. 콘덴서를 두개의 원자를 여기겠습니다. 위 그림처럼 하나의 전극에는 양전하 원자 한개, 나머지 전극에는 음전하 한개로 여겨 보겠습니다. 각각 두개의 원자는 양전하는 뛰는 불균형 원자고, 나머지는 음전하의 불균형 원자입니다. 그런데 여기서 두개의 원자를 단 하나의 원자라고 생각해 보겠습니다. 어떻게 보입니까? 네 양과 음의 완전한 균형상태를 이루고 있습니다. +극만 충전된다는 생각은 어린 학생들 한테나 어울리는 사고 입니다. 0V의 기준이 고정되있다는 사고도 마찬가지 입니다. 0V의 기준은 이용하기 나름입니다. 0V의 기준이라는 것은 양전하와 음전하의 상호 작용에 의해서 만들어 질 뿐입니다. 콘덴서는 양과 음의 동시 충전이고, 양전하와 음전하는 완벽하게 균형을 이루고 있다는 너무 당연한 사실은 파악해야 하겠습니다. 콘덴서 한개를 그냥 단 하나의 원자로 비유하자면, 중성상태의 원자와 똑같습니다. 제일 위의 그림을 빌리자면, Ag원자가 전자를 47개 가지고 있는 상태입니다. 이러면 그냥 중성이죠
참고로 자유전자는 열에너지도 함께 이동시키기 때문에 전기가 잘 통하는 물체는 열전도성도 역시나 좋습니다. 구리가 최고급 방열판에 자주 등장하는 것은 너무 당연한 현상입니다. 또한 열받은 도체는 자유전자의 움직임이 열에 의해서 생기기 때문에 전기 전도성은 그만큼 떨어지게 됩니다. 너무 당연한 얘기입니다. 여기까지 뭐 그저 그런 내용입니다. 에너지 얘기를 잠깐만 하겠습니다. 앞으로 아주 중요한 얘기 입니다. 무엇이든 분리를 하면 에너지를 가집니다. 분리했을때는 에너지를 보관하고 있다가, 다시 원상태로 복귀되면 에너지를 방출합니다. 다음 사진을 보겠습니다.
풍력발전기는 공기의 분리를 이용해서 에너지를 얻습니다. 공기가 뭘로 분리 되었냐고요? 네 기압이 다른 공기로 분리되니까 에너지를 가집니다. 바람이 불면 그 분리된 기압이 서로 같아집니다. 네 다시 원상태로 복귀하는 형태입니다. 원자에 대해서 아직까지 인간이 구체적으로 아는 것은 별로 없다고 합니다. 전자에 대한 과거의 수많은 논문과 정설도 많이 뒤집혀진 상태입니다. 그러나 양전하와 음전하가 가지는 에너지는 풍력발전기를 통해서 얼마든지 손에 잡히는 개념으로 만들수 있을 것입니다. 양전하는 고기압이고. 음전하는 저기압이다고 은유해서 전류의 흐름을 생각해볼 수는 있습니다. 서로가 끌어당기다는 사실은 똑같습니다. 분리할때 필요한 에너지 만큼, 원상태로 복귀 할때도 똑같은 에너지를 방출한다는 것입니다. 에너지에는 공짜가 없습니다. 아주 계산이 정확합니다. 이러한 순환을 우아하게 [회로]라고 표현합니다