리액턴스란? 「전기 회로의 흐름을 방해하는 저항력」

리액턴스는 교류 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 전기적 저항의 일종으로, 기호는 「\(X\)」, 단위는 「\(Ω\)」입니다. 리액턴스에는 용량성과 유도성의 두가지 종류가 있으며, 주파수가 높아지면 용량성 리액턴스는 감소하고, 유도성 리액턴스는 증가합니다. 리액턴스는 전류의 위상 변화에 의해 발생하며, 코일 (인덕턴스)과 콘덴서 (캐패시턴스)의 특성을 바탕으로 합니다. 이러한 특성의 이해는 교류 회로의 설계 및 해석 시, 고주파 필터나 공진 회로의 조정, 전력 전송의 효율화에 꼭 필요합니다.

본 기사에서는 리액턴스의 두가지 타입 및 계산 방법, 그리고 임피던스와의 관계에 대해 설명하겠습니다.

리액턴스란 무엇인가?

리액턴스는 교류전류의 흐름을 방해하는 저항력

리액턴스란, 교류 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 성질을 지닌 전기적 저항의 일종으로, 기호는 「\(X\)」, 단위는 「\(Ω\)」으로 나타냅니다.
전류의 위상 변화에 의해 리액턴스가 발생하기 때문에 코일 (인덕턴스)과 콘덴서 (캐패시턴스)를 사용한 교류 회로의 설계나 해석에서 중요한 원리입니다.
단, 코일과 콘덴서에서 리액턴스의 동작은 달라집니다. 코일의 리액턴스를 「유도성 리액턴스」, 콘덴서의 리액턴스를 「용량성 리액턴스」라고 합니다. 이 두가지 동작의 차이점에 대해서는 뒤에서 자세히 설명하겠습니다.

리액턴스의 산출 방법

리액턴스 X는 전압 V와 전류 I의 비율로 계산할 수 있습니다. 구체적으로는 하기 공식을 통해 산출할 수 있습니다.

\(X=\displaystyle \frac{V}{I}\ [\mathrm{\Omega}] \)

리액턴스와 저항, 임피던스의 차이점

리액턴스와 저항의 차이점

리액턴스와 마찬가지로 전류의 흐름을 방해하는 것에는 「저항」도 있습니다. 저항은 「\(R\)」로 표기하며 단위는 「\(Ω\)」입니다. 저항도 「전류의 흐름을 방해하는 크기」를 나타내기 때문에, 전류와 전압과의 공식은 리액턴스와 동일합니다.

\(R=\displaystyle \frac{V}{I}\ [\mathrm{\Omega}]\)

일반적으로 저항은 「저항기」를 뜻하는 경우가 많습니다.

리액턴스와 저항의 차이점은 두가지가 있습니다. 첫번째는 리액턴스의 경우 「교류 회로에서 전류의 흐름을 방해」하는 반면, 저항은 「직류 회로와 교류 회로에서 전류의 흐름을 방해」합니다.

두번째 차이점은 리액턴스의 경우 주파수에 따라 변화하는 반면, 저항은 주파수에 따라 변화하지 않습니다.
예를 들어 \(5Ω\)의 저항에 「진폭 \(5V\), 주파수 \(100Hz\)의 교류 전원」을 접속한 경우와, 「진폭 \(5V\), 주파수 \(200Hz\)의 교류 전원」을 접속한 경우를 비교하면, 두가지 모두 전류의 크기는 동일합니다.

\(I = V / R = 5/5 = 1A\)

리액턴스와 인덕턴스의 차이점

인덕턴스는 코일의 성질로, 리액턴스와 마찬가지로 교류 회로에서의 저항을 뜻합니다. 그러나, 리액턴스는 전압과 전류의 비율로 단위는 「\(Ω\)」인 반면, 인덕턴스는 유도기전력 산출 시의 계수로 단위는 「\(H\) (헨리)」입니다.

코일에 전류를 흘리면, 그 흐름을 방해하기 위해 전기가 흐릅니다. 이를 전자유도라고 하며, 전자유도의 크기를 유도기전력이라고 합니다. 이러한 유도기전력 산출 시에 필요한 계수가 바로 인덕턴스입니다.

리액턴스와 인덕턴스는 모두 교류 회로에서의 저항을 뜻하지만, 값의 의미가 다르다는 점을 기억해야 합니다.

리액턴스와 임피던스의 차이점

리액턴스와 임피던스는 교류 회로의 동작을 이해함에 있어서 기본이 되는 개념입니다. 리액턴스는 교류가 코일이나 콘덴서를 통과할 때의 저항력을 가리키고, 주파수에 따라 그 크기가 달라집니다. 반면에 임피던스는 리액턴스와 전기 저항을 조합한 것으로 전압과 전류의 비율을 결정합니다. 리액턴스와 임피던스의 차이점을 이해하는 것은 효율적인 전기 회로 설계를 위해 필요합니다. 그럼, 리액턴스와 임피던스의 특성을 알아보고 각각이 전기 회로에 미치는 영향에 대해 비교하여 설명하겠습니다.

1. 임피던스의 정의
   임피던스는 교류 회로에서 전기의 흐름을 방해하는 지표입니다. 기호는 「\(Z\)」, 단위는 「\(Ω\)」 (옴)입니다. 임피던스는 저항과 리액턴스로 구성되며, 각각 교류 회로에서의 전류 흐름을 방해하는 다른 측면의 저항력을 나타냅니다. 구체적으로 저항은 전류의 흐름에 대한 순수한 장해를 나타내며, 리액턴스는 회로의 전기 용량 및 인덕턴스로 인한 전류의 위상 변화에 대한 저항을 나타냅니다. 임피던스 자체는 교류 회로에서의 전압과 전류의 비율로 정의되고, 전압을 전류로 나누어 산출합니다. 이 비율을 바탕으로 실수 부분이 저항 성분, 허수 부분이 리액턴스 성분을 나타내는 것을 알 수 있습니다.

   

2. 저항, 리액턴스, 임피던스의 관계
   저항은 전기 회로에서 전류의 저항력을 나타내고, 옴의 법칙에 따라 전류와 전압의 관계를 정의합니다. 반면에 리액턴스는 교류 회로에서 전류의 지연이나 선행을 나타내고, 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스의 두종류로 나누어집니다. 이로 인해 전류와 전압의 위상차가 발생합니다.
3. 복소수 표기와 임피던스
   임피던스는 전기 회로에서 전류와 전압의 관계를 복소수로 나타내는 지표로, 실수 부분은 저항 (\(R\)), 허수 부분은 리액턴스 (\(X\))를 나타냅니다. 이러한 복소수 표기는 전류와 전압의 위상차나 회로의 특성을 명확하게 이해할 수 있는 개념으로, 전기 회로의 해석을 용이하게 합니다.

   임피던스는 저항과 리액턴스의 합성이며, 전기 회로에서 전류와 전압의 관계를 나타내는 복소수입니다.
   임피던스는 다음 식과 같이 나타낼 수 있습니다.

   \(Z = R+jX\)

   이 식에서 \(Z\)는 임피던스, \(R\)은 저항, \(j\)는 허수 단위 (\(j^2\) = -1), \(X\)는 리액턴스입니다.

리액턴스는 교류 회로에서 전류의 흐름을 늦추거나, 진행시키는 효과를 합니다. 유도성 리액턴스는 코일이나 인덕터의 자장 변화가 전류의 흐름을 늦추는 효과를 지니며, 용량성 리액턴스는 콘덴서의 전하 축적과 방출이 전류의 흐름을 진행시키는 효과를 지닙니다.

반면에 임피던스는 전기 회로 전체에서 전류와 전압의 관계를 나타내는 수치로, 저항 (실수 부분)과 리액턴스 (허수 부분)로 구성됩니다. 임피던스를 사용함으로써 교류 회로의 특성이나 전류와 전압의 위상차를 명확히 파악할 수 있어, 회로 설계 및 해석이 용이해집니다. 결과적으로 리액턴스와 임피던스는 전기 회로의 다른 측면을 나타내는 중요한 개념으로, 각각 독자적인 역할과 의미를 지니고 있습니다. 리액턴스는 교류 회로에서 전류 흐름의 지연이나 선행을 나타내고, 임피던스는 전기 회로 전체에서 전류와 전압의 관계를 나타내는 복소수로, 저항과 리액턴스의 합성입니다.

각 용어는 하기와 같이 정리할 수 있습니다.

• ・리액턴스 (\(X\))
  교류 회로에서 전기의 흐름을 방해하는 저항력. 주파수에 따라 변화한다.
  코일의 리액턴스 「유도성 리액턴스」, 콘덴서의 리액턴스 「용량성 리액턴스」의 두종류가 있다.
• ・저항 (\(R\))
  전기 회로 (직류 / 교류 모두)에서 전기의 흐름을 방해하는 저항력. 주파수가 달라져도 변화하지 않는다.
• ・임피던스 (\(Z\))
  저항과 리액턴스를 나타내는 것.

유도성 리액턴스

유도성 리액턴스란, 교류전류가 변화할 때, 인덕터 (코일)에 의해 발생하는 저항력입니다. 이러한 저항력은 전류의 변화에 반응하여, 그 변화를 억제하려고 하는 반대 방향의 전압을 인덕터에서 생성함에 따라 발생합니다. 그 결과, 유도성 리액턴스는 교류 회로 내에서 전류의 흐름을 늦추게 되어, 전류와 전압의 위상차가 발생하는 원인이 됩니다. 유도성 리액턴스의 기호는 「\(X_L\)」로 나타냅니다.

유도성 리액턴스 산출 방법

유도성 리액턴스는 코일 등의 유도성 소자에 의해 발생하는 것으로, 교류전류의 주파수와 유도성 소자인 인덕턴스에 의존합니다. 구체적으로 유도성 리액턴스 「\(X_L\)」은 하기의 공식으로 계산할 수 있습니다. 이 계산식을 통해 주파수가 높아질수록 리액턴스가 증가하고, 인덕턴스 값이 클수록 리액턴스가 증가하는 것을 알 수 있습니다.

\(X_L\ =\ \omega L\ =\ 2\pi fL\ [\mathrm{\Omega}]\)

※　\(ω\)：각주파수（\(2πf\)）\([rad/s]\)

코일의 인덕턴스 「\(L\)」의 단위 「\(H\)」는 「헨리」라고 읽습니다.

코일의 인덕턴스 「\(L\)」은 코일의 형태나 Turn수에 따라 결정되는 고유의 수치입니다. 따라서, 주파수 「\(f\)」가 높아질수록 유도성 리액턴스 「\(X_L\)」은 커진다는 것 (비례)을 알 수 있습니다. 또한, 직류 회로의 경우 주파수는 \(0Hz\)이므로, 유도성 리액턴스는 0이 됩니다.

유도성 리액턴스에 있어서, 전류는 주파수에 반비례

앞서 제시한 회로도에서 유도성 리액턴스를 계산해 보겠습니다.

리액턴스는 교류 회로에서 전압과 전류의 비율이므로, 공식은 하기와 같이 나타낼 수 있습니다.

\(X_L=V/I\left[\mathrm{\Omega}\right]\)

이 식은 다시 하기의 식으로 나타낼 수 있습니다.

\(I = \displaystyle \frac{V}{X_L} = \displaystyle \frac{V}{2\pi f L} [A]\)

이 공식에서 전류 「\(I\)」는 주파수 「\(f\)」가 높아질수록 작아진다는 것 (반비례)을 알 수 있습니다.

용량성 리액턴스

용량성 리액턴스란, 교류전류가 변화할 때, 캐패시터 (콘덴서)에 의해 발생하는 저항력입니다. 이러한 저항력은 전류의 변화에 대응하여 캐패시터가 축적하는 전하량이 변하고, 이로 인한 전압의 변화를 통해 발생합니다. 그 결과, 용량성 리액턴스는 교류 회로 내에서 전류의 흐름을 빠르게 하여, 전류와 전압의 위상차가 발생하는 원인이 됩니다. 용량성 리액턴스의 기호는 「\(X_C\)」로 나타냅니다.

용량성 리액턴스의 산출 방법

용량성 리액턴스는 캐패시터 등의 용량 소자에 의해 발생하는 것으로, 교류전류의 주파수와 캐패시터의 캐패시턴스에 의존합니다. 구체적으로 용량성 리액턴스 「\(X_C\)」는 하기의 공식으로 계산할 수 있습니다. 이 계산식을 통해 주파수가 높아질수록 리액턴스가 감소하고, 캐패시턴스 값이 커질수록 리액턴스가 감소하는 것을 알 수 있습니다.

\(X_C=\displaystyle \frac{1}{\omega C}=\displaystyle \frac{1}{2\pi fC}\ \left[\mathrm{\Omega}\right]\)

※　\(ω\) : 각주파수 \((2𝜋𝑓)\) [\(rad/s\)]

캐패시터의 캐패시턴스 「\(C\)」의 단위 「\(F\)」는 「패럿」이라고 읽습니다.

콘덴서의 정전용량 C는 콘덴서에 따라 결정되는 고유의 수치입니다. 따라서, 용량성 리액턴스는 주파수 「\(f\)」가 높아질수록 작아진다 (반비례)고 할 수 있습니다. 직류 회로의 경우 주파수는 \(0Hz\)이므로, 용량성 리액턴스는 무한대가 됩니다.

용량성 리액턴스에 있어서 전류는 주파수에 비례

앞서 제시한 회로도에서 용량성 리액턴스를 계산해 보겠습니다.

리액턴스는 교류 회로에서의 전압과 전류의 비율이므로, 공식은 하기와 같이 나타낼 수 있습니다.

\(X_C = \displaystyle \frac{V}{I} \, \text{[Ω]}\)

이 식을 전류의 식으로 나타내면 다음 식과 같아집니다.

\(I=\displaystyle \frac{V}{Xc}=V･2πfC[A]\)

이 공식에서 전류 「\(I\)」는 주파수 「\(f\)」가 높아질수록 커진다는 것 (비례)을 알 수 있습니다.

합성 리액턴스

합성 리액턴스란, 교류 회로에서 유도성 리액턴스 (인덕터에 의해 발생하는 저항력)와 용량성 리액턴스 (캐패시터에 의해 발생하는 저항력)의 효과가 합성된 종합적인 저항력입니다. 이렇게 합성된 저항력은 회로 내의 전류 위상과 전압 위상의 관계에 영향을 미치게 되고, 이를 통해 교류 회로의 동작을 결정합니다. 유도성 리액턴스는 전류의 변화에 대해 저항하여 위상을 늦추는 반면, 용량성 리액턴스는 전류의 흐름을 선행시킵니다. 합성 리액턴스는 이러한 두가지 리액턴스의 차로 계산되고, 그 결과에 따라 전류가 전압에 대해 지연되는지, 반대로 선행되는지가 결정됩니다. 합성 리액턴스의 기호는 통상적으로 「\(X\)」로 나타내고, 그 값은 유도성 리액턴스 「\(X_L\)」에서 용량성 리액턴스 「\(X_C\)」를 뺀 값이 됩니다.

\(X = X_L – X_C = \omega L – \displaystyle \frac{1}{\omega C} = 2\pi f L – \displaystyle \frac{1}{2\pi f C} \, \text{[Ω]}\)

여기에서 주목할 것은, 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스 모두 주파수에 관계가 있다는 점입니다.

특정 주파수에서 \(X_L\)=\(X_C\), 즉 합성 리액턴스의 값이 0이 되는 경우가 있습니다.

이 상태를 공진이라고 하며, 이 때의 주파수를 공진 주파수라고 합니다.

리액턴스의 종류와 관련 항목의 차이점 이해

본 기사에서는 리액턴스에 대해 설명했습니다. 리액턴스는 교류 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 저항력을 나타냅니다. 비슷한 의미의 용어로 「저항」이나 「임피던스」가 있으므로, 각각의 차이점에 대해 확실하게 이해하는 것이 중요합니다.

리액턴스에는 코일의 리액턴스 「유도성 리액턴스」와 콘덴서의 리액턴스 「용량성 리액턴스」가 있습니다. 리액턴스는 저항과 달리 주파수에 따라 값이 변화합니다. 유도성 리액턴스는 주파수에 비례하고, 용량성 리액턴스는 주파수에 반비례한다는 차이점이 있다는 것을 기억해야 합니다.