직류 회로에서 전류를 방해하는 것은 저항 하나뿐이었습니다(앞 편 전류 흐름 제어(저항), 계산은 전기/회로 공식 편). 그런데 축전기(콘덴서)와 코일은 전혀 다른 방식으로 전류를 방해합니다. 직류에서는 한쪽은 길을 막고 다른 쪽은 그냥 전선처럼 지나가게 하지만, 교류에서는 주파수에 따라 방해하는 정도가 달라지는 새로운 종류의 '저항'이 됩니다. 이것을 리액턴스라고 합니다.
이 성질 덕분에 라디오는 수많은 방송 중 하나만 고르고, 충전기는 전기를 안정시키며, 스피커는 저음과 고음을 나누고, 전파망원경 수신기는 원하는 주파수만 걸러 냅니다. 이 편은 "무엇이 다른지 → 원리 → 왜 중요한지 → 어디에 쓰이는지" 순서로 설명합니다.
교류는 1초에 수백~수십억 번 방향이 바뀌는 전기입니다. 같은 부품도 얼마나 빨리 바뀌는 교류인가에 따라 전류를 다르게 대합니다.
| 저항 | 축전기 C | 코일 L | |
|---|---|---|---|
| 직류(변하지 않음) | 일정하게 방해 | 막음 (충전이 끝나면 전류 0) | 그냥 통과 (전선과 같음) |
| 천천히 바뀌는 교류 | 일정하게 방해 | 많이 막음 | 거의 통과 |
| 빠르게 바뀌는 교류 | 일정하게 방해 | 잘 통과 | 많이 막음 |
| 전기를 쓰는가? | 열로 써서 없앰 | 전기장에 저장했다 돌려줌 | 자기장에 저장했다 돌려줌 |
| 비유 | 좁은 관 | 스프링 달린 벽 | 무거운 바퀴 |
이렇게 에너지를 쓰지 않으면서 주파수에 따라 전류를 방해하는 성질을 리액턴스(reactance)라 하고, 단위는 저항과 같은 옴(Ω)입니다. 저항과 리액턴스를 함께 묶은 전체 방해를 임피던스(impedance)라고 부릅니다. 이름이 어렵게 들려도 "교류가 느끼는 저항"이라고 기억하면 충분합니다.
축전기는 두 금속판 사이에 절연체를 끼운 간단한 구조입니다. 전원을 연결하면 한쪽 판에서 전자가 빠져나와 다른 쪽 판에 쌓이고, 두 판 사이에는 전기장이 생깁니다. 전하는 판 사이를 건너지 못하고 판에 쌓이기만 하므로, 충전이 끝나면 직류 전류는 0이 됩니다.
그런데 전원이 계속 방향을 바꾸는 교류라면, 판은 채워졌다 비워지기를 반복합니다. 전하가 판 사이를 건너가는 것은 아니지만 도선에서는 전류가 계속 오가므로 마치 통과하는 것처럼 보입니다. 교류가 빠를수록 채우고 비우는 횟수가 늘어 전류가 잘 흐릅니다.
축전기는 두 금속판 사이에 절연체(공기나 유전체)를 끼운 부품입니다. 전원을 연결하면 전자가 한쪽 판에서 빠져나와 다른 쪽 판으로 옮겨 가, 위 판에는 (+), 아래 판에는 (−) 전하가 쌓이고 두 판 사이에 전기장이 생깁니다. 전하는 판 사이를 건너가지 못하고 판에 쌓이기만 합니다. 판이 넓을수록, 판 사이가 좁을수록, 사이에 유전체가 있을수록 더 많이 모을 수 있습니다. 이 '모으는 능력'을 전기용량(C)이라 합니다.
코일은 전선을 여러 번 감은 부품입니다. 전류가 흐르면 둘레에 자기장이 생기고, 감은 수가 많거나 철심을 넣으면 자기장이 훨씬 강해집니다(전자석). 여기서 중요한 점은, 전류가 변해 자기장이 변하면 코일이 그 변화를 거스르는 전압을 스스로 만든다는 것입니다(전기와 자기의 관계의 전자기 유도). 그래서 전류는 갑자기 늘거나 줄 수 없습니다. 무거운 바퀴가 갑자기 서지도, 갑자기 돌지도 않는 것과 같습니다.
전선을 감은 코일에 전류가 흐르면 자기장이 생깁니다. 감은 수가 많고 전류가 셀수록, 철심을 넣을수록 자기장이 강해집니다. 그런데 전류를 켜는 순간 자기장이 변하므로, 코일은 그 변화를 거스르는 전압(유도 기전력)을 스스로 만듭니다. 그래서 전류는 갑자기 오르지 못하고, 끄는 순간에도 갑자기 사라지지 못합니다.
저항에서는 전압이 오르면 전류도 같이 오르는 같은 박자입니다. 그러나 축전기와 코일은 전류와 전압이 4분의 1 주기(90°)만큼 어긋납니다.
이 엇박자 때문에 두 부품은 전기를 쓰지 않고 저장했다 돌려주기만 합니다. 전류가 가장 클 때 전압이 0이라, 전압×전류(전력)의 평균이 0이 되기 때문입니다.
최댓값 5 V인 교류 전원에 부품 하나를 연결합니다. 부품과 주파수, 부품 값을 바꾸며 전류가 얼마나, 언제 흐르는지 보세요. 붉은 선은 전압, 초록 선은 전류이고, 노란 선분은 "지금 이 순간의 기울기"입니다.
그래프 보는 법: 주파수를 올리면 파형이 촘촘해지고(보기 좋게 압축해 표시), 축전기·코일 값이나 주파수에 따라 전류가 바뀌면 초록 파형의 높이가 달라집니다(로그 눈금이라 10배 차이가 눈에 띄게 보이도록 함).
코일(L)에서는 전압(E) 다음에 전류(I)가 오고(E-L-I: 전압이 앞섬), 축전기(C)에서는 전류(I) 다음에 전압(E)이 옵니다(I-C-E: 전류가 앞섬). "전압이 앞서면 코일, 전류가 앞서면 축전기"입니다.
전자기기 안에는 신호와 전원, 잡음이 뒤섞여 흐릅니다. 축전기와 코일은 주파수가 다르다는 점을 이용해 이들을 가려 줍니다.
| 역할 | 어떻게 하나 | 없으면 생기는 문제 |
|---|---|---|
| ① 주파수 고르기(필터) | 코일은 빠른 신호를 막고 축전기는 빠른 신호를 통과시키는 성질로 원하는 주파수 대역만 남깁니다. | 방송·통신 신호가 서로 뒤섞임 |
| ② 공진으로 한 주파수만 선택 | L과 C를 맞추면 한 주파수에서만 전류가 크게 흐릅니다(⑦). | 라디오가 여러 방송을 동시에 틀어 줌 |
| ③ 전원 안정화(평활) | 축전기가 전압이 출렁일 때 전기를 채우고 내보내 부드럽게 만들고, 코일은 전류가 급히 변하는 것을 막습니다. | 전원이 흔들려 기기가 오작동하거나 소리에 잡음이 낌 |
| ④ 직류 차단·교류 통과(결합) | 축전기는 직류를 막고 신호만 다음 단계로 넘깁니다. | 앞 단계의 직류 전압이 뒤 단계를 망가뜨림 |
| ⑤ 잡음 제거(바이패스·초크) | 축전기로 고주파 잡음을 땅으로 흘려보내고, 코일(페라이트)로 잡음의 통로를 막습니다. | 전자파 간섭, 통신 품질 저하 |
| ⑥ 에너지 저장·변환 | 축전기는 전기장, 코일은 자기장에 에너지를 저장했다가 돌려줍니다. | 충전기·전동기·변압기가 동작하지 않음 |
| ⑦ 시간 맞추기 | 저항과 축전기를 이어 충전 속도로 지연이나 타이머를 만듭니다(⑧). | 정확한 시간 간격을 만들기 어려움 |
| ⑧ 임피던스 정합 | 코일과 축전기로 송신기와 안테나의 '저항'을 맞춰 전력이 되돌아오지 않게 합니다. | 전파가 안테나에서 반사되어 낭비됨 |
| 기기·장소 | 축전기·코일의 역할 | 관련 편 |
|---|---|---|
| AM·FM 라디오 다이얼 | 가변 축전기와 코일의 공진으로 듣고 싶은 방송 주파수만 고름 | 라디오의 송신과 수신원리 |
| 송신기의 발진기·안테나 튜너 | LC 회로가 전파의 주파수를 만들고, 안테나와 송신기의 임피던스를 맞춤 | 안테나의 전파 송신 |
| 휴대폰 충전기·어댑터 | 교류를 직류로 바꾼 뒤 축전기와 코일로 출렁임을 매끄럽게 다듬음 | 직류와 교류의 차이 |
| 전동기·발전기·변압기 | 코일의 자기장과 유도로 전기와 움직임, 전압을 바꿈 | 자기장-전기 (전동기와 발전기) |
| 교통카드·무선충전·NFC | 코일이 자기장으로 에너지와 신호를 주고받고, 축전기와 짝지어 공진시킴 | RFID·NFC |
| 케이블의 불룩한 부분(페라이트)·전자파 차폐 | 코일 효과로 고주파 잡음이 지나가는 것을 막음 | 전파간섭과 차폐 |
| 전파망원경 수신기 | LC 공진 같은 대역통과 필터로 관측하려는 주파수 대역만 남김 | 수신기 |
| 콘덴서 마이크·스피커 | 마이크는 축전기의 용량 변화로 소리를 전기로 바꾸고, 스피커는 코일에 흐르는 전류가 자석에서 받는 힘으로 소리를 냄 | 소리로 보는 주파수와 진폭 |
| 스피커 크로스오버 | 코일은 저음 스피커로, 축전기는 고음 스피커로 알맞은 소리만 보냄 | — |
| 카메라 플래시 | 축전기에 천천히 충전한 에너지를 한순간에 방출 | — |
| 터치스크린 | 손가락이 닿으면 축전기의 용량이 변하는 것을 감지 | — |
주파수가 올라가면 코일의 방해는 커지고 축전기의 방해는 작아집니다(①의 그림). 둘이 같아지는 주파수에서는 서로 상쇄되어 전류가 가장 쉽게 흐릅니다. 이것이 공진이고, 그 주파수는 코일(L)과 축전기(C)의 크기로 정해집니다. 그네를 고유 주기에 맞춰 밀면 가장 높이 올라가는 것과 같습니다.
값을 바꾸면 리액턴스·임피던스·위상각·공진 주파수가 바로 계산되고, 그래프에서 코일의 방해(주황)와 축전기의 방해(파랑)가 어디서 만나는지 볼 수 있습니다.
| 코일의 방해 | 축전기의 방해 | 두 방해의 차 | 전체 방해 | 위상각 |
|---|---|---|---|---|
| 공진 주파수 | 선택도 Q | 통과 폭(대역폭) | 상태 | |
그래프는 100 kHz ~ 10 MHz, 10 Ω ~ 10 kΩ 범위입니다. 로그 눈금이라 두 선이 직선으로 보입니다.
저항을 통해 축전기를 충전하면 전압은 한 번에 오르지 않고 서서히 오릅니다. 그 속도를 정하는 것이 시간 상수입니다. 저항과 축전기가 클수록 느리고, 이 성질로 타이머와 지연, 신호를 부드럽게 만드는 회로를 만듭니다.
직류 전원 5 V에 저항과 축전기를 직렬로 연결합니다. 충전은 스위치를 전원 쪽에, 방전은 전원을 빼고 축전기를 저항으로만 잇는 것입니다. 붉은 선은 축전기 전압, 초록 선은 전류입니다.
이 성질을 숫자로 계산하는 공식(리액턴스, 임피던스, 공진 주파수, 시간 상수 등)은 기초수학 편에서 필요한 수학 도구와 함께 설명합니다.
숫자를 넣어 계산하는 문제(리액턴스, 임피던스, 공진 주파수)는 기초수학의 전기/회로 공식 편 연습문제에 있습니다.
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함께 해 볼 질문·활동
📚 참고 자료 및 출처
본 교육자료는 Anthropic(Claude) 및 OpenAI(ChatGPT)를 활용하여 제작하였으며, 제작자가 내용을 검토·편집하였습니다. 주요 참고자료와 출처는 각 페이지의 「참고 자료 및 출처」에 명시하였습니다. 출처가 별도로 표기되지 않은 페이지와 참고자료에 포함되지 않은 내용은 제작자가 직접 작성하거나 정리한 것입니다. 내용에 오류가 있거나 수정이 필요한 사항을 발견하시면 kvnsite@kasi.re.kr로 알려 주시기 바랍니다.