전기위치에너지를 저장하는 유용한 장치를 만들 수 있는가? 그렇다. 축전기라고 부르는 그러한 장치들이 전기장비의 모든 부분에서 쓰인다. 축전기는 분리된 양전하와 음전하를 저장함으로써 전기위치에너지를 저장하는 장치이다. 그것은 진공이나 절연체로 분리된 두 도체로 이루어진다. 전하는 분리되어 양전하는 한 도체에 놓여지고 같은 양의 음전하는 다른 도체에 놓여진다. 음전하로부터 분리하기 위해서는 그들 사이에 인력이 작용하므로 일을 해야 한다. 전하를 분리하기 위해 한 일은 결국 전기위치에너지가 된다. 전기장이 두 도체 사이에서 발생하고 장선은 양전하를 가진 도체에서 출발해서 음전하를 가진 도체에서 끝난다. 저장된 위치에너지는 이 전기장과 관련이 있다. 전하들을 다시 합함으로써 저장된 에너지를 다시 쓸 수 있다. 곧 다른 형태의 에너지로 변환시킬 수 있다.
가장 단순한 형태의 축전기는 넓이 A, 간격 d인 두 개의 평행한 금속판으로 이루어진 평행판 축전기이다. 전하 +Q가 한 평면판에 그리고 -Q가 다른 평면판에 놓여 있다. 평행판 사이는 공기로 채워져 있다고 가정한다. 평면판들을 충전시키는 한 방법은 전지의 양극을 한 평판에, 음극을 다른 평면판에 연결하는 것이다. 전지는 전자들을 한 판에서 제거해서 그 판을 양전하로 대전시킨다. 그리고 전지는 그 전자들을 다른 판으로 이동시켜 그 판을 대전된 앞의 판에 있는 양전하와 같은 크기의 음전하로 대전시킨다. 이렇게 하기 위하여 전지는 일을 해야 한다. 전지의 화학적 에너지의 일부가 전기위치에너지로 변환된다.
일반적으로 두 판 사이의 전기장이 균일하지는 않다. 그러나 두 판이 충분히 가까우면, 전하는 판들의 내부 면에 균등하게 분포하고 바깥 면에는 존재하지 않는다고 근사할 수 있다. 실제 축전기의 경우 판들은 충분히 가까이 있어 이런 근사가 유요하다. 전하가 판들 내부 면에 균등하게 퍼져 있으면 균일한 전기장이 두 판들 사이에 존재한다. 판들이 충분히 가깝다면 가장자리 부분에 있는 불균일한 전기장은 무시될 수 있다. 전기장선은 양전하에서 나와 음전하에서 끝난다. 크기가 Q인 전하가 넓이 A인 각 판에 균등하게 퍼져 있는 경우에 표면전하밀도(단위넓이당 전하)를 시그마로 표시한다.
장은 전하에 비례하고 전위차는 그 장에 비례한다. 따라서 전하는 전위차에 비례한다. 이것은 평행판 축전기뿐만 아니라 다른 형태의 축전기에서도 마찬가지이다. 전하와 전위차 사이의 비례상수는 기하학적 요수(판들의 크기와 모양)와 판들 사이에 있는 물질에만 따라서 변한다. 보통 이런 비례 관계를 Q=CV로 나타낸다. 여기서 Q는 각 판에 있는 전하의 크기이고 V는 판 사이의 전위차이다. 비례상수 C를 전기용량이라 부른다. 전기용량을 주어진 전위차에 대하여 전하를 수용할 수 있는 능력으로 생각하여라. 전기용량의 SI 단위는 C/V이며 F(패럿)이라고 부른다. 패럿은 큰 단위이기 때문에 전기용량은 보통 마이크로 패럿, 나노 패럿, 피코 패럿으로 측정된다. 1mm 떨어진 넓이 1㎟의 한 쌍의 판은 약10nF의 전기용량을 가진다.
큰 전기용량을 얻기 위해서는 판 넓이를 크게 하거나 판 간격을 작게 한다. 축전기의 물리적 크기를 적당하게 유지하면서 큰 겉넓이를 얻기 위해서 절연물질을 사이에 넣고 원통형으로 감은 얇은 도체판으로 축전기의 판을 만든다.
다른 장치들은 하나의 움직일 수 있는 판을 가진 축전기로 구성된다. 축전기마이크에서는 하나의 판이 음파에 반응하여 안팎으로 움직인다. 축전기의 전위차가 일정하게 유지되기 때문에 판 간격이 변할 때 전하가 판으로 흐르거나 판에서 흘러 나간다. 움직이는 전하(전류)는 전기적인 신호를 만들기 위해 증폭된다. 많은 고음용 스피커의 모양은 이와 반대이다. 전기저인 신호에 반응하여 하나의 판이 안팎으로 움직이고 음파를 만들어 낸다.
축전기의 다른 용도도 많이 있다. 컴퓨터의 주기억장치(RAM) 칩은 수백만 개의 미세한 축전기를 포함하고 있다. 각각의 축전기는 1비트(이진수)를 저장한다. 1을 기억하기 위해 축전기는 대전대고 0을 저장하기 위해서 방전된다. 축전기를 둘러싼 절연은 완벽하지 않아서 주기적으로 재생하지 않으면 전하는 누설될 수 있다. 컴퓨터의 전원을 껐을 때 RAM에 있던 것이 사라지는 것이 바로 이러한 이유 때문이다.
전하와 전기에너지를 저장하는 것 이외에도 축전기는 판 사이에 있는 균일한 전기장 때문에 편리하게 쓰인다. 이 전기장은 전하를 통제된 방향으로 가속시키거나 편향시키는 데 이용될 수 있다. 전기회로에서 시간에 따라 변화하는 전위차를 보여주는 오실로스코프는 두 축전기의 판 사이로 전자들을 보내는 음극선관이다. 축전기 중에 하나는 전자를 수직으로 편향시키고 다른 하나는 수평으로 편향시킨다.
방전하는 축전기
대전된 축전기의 하나의 판과 다른 판을 전선으로 연결하면 전하는 전선을 따라 판 사이의 전위차가 없어질 때까지 움직인다.
유전체
축전기에 많은 전하를 저장하려는 노력에는 본질적으로 문제가 있다. 전위차를 엄청나게 크게 하지 않고 많은 전하를 저장하기 위해서는 큰 전기용량이 필요하다. 전기용량은 판 사이의 간격 d에 반비례한다. 간격을 적게 만들 때 생기는 문제 중 하나는 축전기 판 사이에 있는 공기의 절연성이 건조한 공기의 경우 약 3000V/mm의 전기장에서 깨진다는 것이다. 습기가 있는 공기의 경우 더 작은 전기장에서 절연성이 깨진다. 절연 파괴가 되면 축전기 판 사이로 전기 불꽃이 생겨 저장된 전하가 없어진다.
이러한 어려움을 극복하기 위해 유전체를 사용한다.