[전자기학] 임피던스(Impedance) 및 리액턴스(Reactance)에 대해

 전자기학에는 뭔 놈의 용어들이 그리 많은지, 관련 논문을 서칭 중에 임피던스에 관한 개념을 확실히 잡아놔야 그 수식들을 이해하고 내가 사용할 수 있을 것 같아, 본문에는 해당 내용을 다룰 내용이다. 임피던스, 리액턴스, 인덕턴스, 커패시턴스가 주요한 내용이 될 것 같다. 추후에는 임피던스 매칭까지 다룰 예정이다.

 

임피던스(Impedance)

 전자과나 전기과가 아니더라도 전류는 직류 전류와 교류 전류로 나뉜다는 것은 당연한 상식이다. 그렇다면 직류와 교류의 차이는 뭐냐하고 물으면 답은 위상차이다. 있어 보이게 말하고 싶을 경우 위상차라고 말하면 되는데, 쉽게 말하면 그냥 직류는 한 방향으로만 흐르고 교류는 흐르는 방향이 계속 바뀐다는 것이다. 이러한 간단한 현상 차이 때문에 큰 차이가 발생하는데, 직류는 한 방향으로 흐르기 때문에 일반적으로 전류의 흐름을 방해하는 요소가 저항(Resistance)밖에 존재하지 않는다. 하지만 교류는 주파수에 따라 달라지는 리액턴스(Reactance)까지 고려를 해주어야 한다.

 

 즉, 임피던스(Impedance)는 교류 전류에서 전류의 흐름을 방해하는 값을 뜻하며 이의 구성은 저항(Resistance) + 리액턴스(Reactance)이다. 저항과 리액턴스를 둘 다 고려해 주어야 되며, 물리적으로 전류의 흐름을 방해한다는 의미는 저항(R)과 같기 때문에 취급 또한 비슷하다고 생각하면 된다. 다만 앞서 말한 것처럼 위상차가 있는 저항인 리액턴스까지 고려가 되는 것이다. 참고로 일반적으로 임피던스에 대한 표기는 $\mathrm {Z}$이며, 저항은 $\mathrm{R}$, 리액턴스는  $\mathrm{X}$이다.

 

리액턴스(Reactance)

  그렇다면 우리는 교류 전류에만 발생하는 리액턴스에 대해 알아야 한다. 리액턴스는 유도 리액턴스(인덕턴스라고도 한다)  $\mathrm{X_L}$과 용량 리액턴스(커패시턴스라고도 한다)  $\mathrm{X_c}$의 합으로 이뤄진다. 유도 리액턴스와 용량 리액턴스의 공통점은 흐름을 제어할 때 쓰이는 것이고, 차이점은 유도 리액턴스는 전류의 흐름을 제어하며, 용량 리액턴스는 전압의 흐름을 제어한다. 앞으로의 표기는 인덕턴스(유도 리액턴스)와 커패시턴스(용량 리액턴스)로 하기로 하겠다. 그 이유는 논문에서는 이러한 표기를 더 많이 사용하기 때문에

 

인덕턴스(Inductance)

 인덕턴스에 대해 알아보기 전에 소소하게 왜 Inductance인데 표기는  $\mathrm{X_L}$, 즉  $\mathrm{L}$ 이 붙는지가 궁금할 수도 있을 것이다. 원래 표기는  $\mathrm{I}$로 해야 되지만 이는 전류 표기인  $\mathrm{I}$와 겹치기 때문에 이와 비슷한  $\mathrm{L}$로 한다더라. 맞는지는 모르겠고 카더라에 가까운 것 같다. 

 

 인덕턴스는 유도 리액턴스, 유도 용량이라고도 하며,  이름에서도 알 수 있듯이 인덕터에 자기장 형태로 에너지가 얼마나 저장되는지를 뜻한다. 교류 전류의 경우 주기적으로 전류의 흐름이 바뀌는데, 전류의 흐름이 바뀜에 따라 자기장 또한 바뀐다. 하지만 자기장은 전류와 같이 빠릿빠릿하게 바뀌는 것이 아닌 살짝 뒤늦게 변하는데, 이러면서 전류의 흐름을 방해한다. 이런 식으로 제어를 한다고 보면 될 것 같다.

 

 인덕턴스에 대한 식은 아래와 같다.

 

$$\mathrm{X_L=2\pi fL}$$               

 

 이때 $L$이 자기 인덕턴스이며, $w=2\pi f$이기 때문에 각속도에 대한 식으로 바꿔서 쓸 수도 있다.

 

커패시턴스(Capacitance)

 커패시턴스는 용량 리액턴스, 정전용량이라고도 불린다. 인덕턴스가 전류의 흐름 제어를 뜻한다면, 커패시턴스는 전압의 흐름을 제어한다. 단절된 두 금속 사이에서 전류 및 전압의 변화가 있을 때 신호를 통과시키는 성질이다. 커패시턴스에 관한 식은 다음과 같다.

 

$$\mathrm{X_c=\frac{1}{2\pi fc}}$$

 

 마찬가지로 $c$는 커패시턴스를 뜻하며, $\mathrm{X_c}$와 $\mathrm{X_L}$의 합이 Reactance($\mathrm{X}$)가 된다.

 

글을 마치며

 막상 정리를 해두고 보니 전자과를 포함한 전공자가 본다면, 불편한 표현들이 가득할 것 같다. 하지만 난 기계공학과라 어쩔 수 없는걸 최대한 이해한 것을 쉽게 풀어쓰려고 노력하였는데, 혹시나 오개념이 있을 경우 댓글로 태클 걸어주면 환영이다.(부끄러우니 비공개 댓글로 해주시면 감사하겠습니다ㅎㅎ)