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1. 교류 RC 회로와 교류 RL 회로
1.1. 실험 목적 및 배경 이론
1.1.1. 실험 목적
실험의 목적은 저항, 축전기, 유도기 사이의 관계를 통해 교류 RC 회로와 교류 RL 회로를 이해하는 것이다. 구체적으로 교류 회로에서 축전기와 유도기가 전압과 전류의 관계에 미치는 영향을 살펴보고자 한다. 특히 축전기에서의 전압과 전류의 위상차, 유도기에서의 역기전력 발생과 이에 따른 전압과 전류의 위상차 등을 측정하여 이해하는 것이 실험의 주된 목적이다.
1.1.2. 배경 이론
교류 RC 회로와 교류 RL 회로의 배경 이론은 다음과 같다.
교류 RC 회로에서는 축전기에 교류 전압이 걸리면, 전류가 최댓값에 도달하고 난 후 전압이 최댓값에 도달한다. 때문에 축전기 양단의 전류는 전압보다 위상이 90도 빠르다. 이를 용량성 리액턴스라고 하며, 주파수 f와 축전기 용량 C에 반비례한다.
교류 RL 회로에서는 유도기에 전류가 흐를 때, 전류의 흐름을 방해하는 역기전력이 작용한다. 전류의 흐름이 역기전력의 방해를 받아 전압보다 느리게 흐르게 되어 위상차가 발생한다. 유도기를 거친 전압은 코사인 함수 형태이고, 전류보다 위상이 90도 빠르다. 이를 유도성 리액턴스라고 하며, 주파수 f와 인덕턴스 L에 비례한다.
따라서 교류 RC 회로와 교류 RL 회로에서는 축전기와 유도기의 특성으로 인해 전압과 전류의 위상 차이가 발생하게 된다. 이러한 위상 차이는 회로의 특성을 이해하는 데 중요한 요소이다.
1.2. 실험 내용 및 절차
1.2.1. 실험 장비
실험 장비는 다음과 같다."
1. 전압 센서(CI-6503) 3개로, 아날로그 채널 A, B에 연결하여 전압을 측정한다.
2. 바나나 플러그 패치 코드(SE-9750) 2개로, 신호 발생기와 회로판을 연결한다.
3. 축전기 100㎌과 유도코일, 철심을 사용한다.
4. 저항기 10Ω과 4.7Ω을 사용한다.
5. 5인치 납선 2개를 사용한다.
6. AC/DC 전기 실험 회로판을 사용한다.
1.2.2. 실험 절차
실험 1 : 교류 RC 회로의 실험 절차는 다음과 같다"
먼저 Pasco Capstone 소프트웨어를 이용하여 실험 준비를 한다. 인터페이스의 전원을 켜고, 화면 왼쪽의 Tools 박스에서 'Hardware Setup'을 눌러 아날로그 채널 A, B에 각각 전압 센서를 연결한다. 그 다음 'Signal Generator'를 눌러 주파수를 60Hz, 진폭을 3V로 설정한다. 화면 오른쪽의 Displays 박스에서 Graph를 더블 클릭하여 세 개의 그래프 창을 연다. x축은 Time으로, y축은 Voltage Ch A, Voltage Ch B, Output Voltage로 설정한다. 샘플링 속도는 10KHz로 설정하고, 녹화 시간은 0.2초로 설정한다.
실험 기구 설치 부분에서는 인터페이스의 아날로그 채널 A, B에 각각 전압 센서를 연결한다. AC/DC 전기 실험 회로판에 10Ω 저항기와 100μF 축전기를 설치한다. 바나나 플러그 패치 코드를 인터페이스에 연결하고, 이를 회로판의 전원 단자에 연결한다. 채널 A의 전압 센서는 축전기 양단에, 채널 B의 전압 센서는 저항기 양단에 연결한다.
실험 진행 단계에서는 Record 버튼을 눌러 측정을 시작한다. Scope 도구막대에서 'Highlight range of point in active data'를 클릭하여 적절한 부분을 선택하고 확대한다. 그 후 'Add Multi-Coordinate Tool'을 선택하여 축전기와 저항의 최대 전압을 구한다.
1.3. 실험 결과
1.3.1. 교류 RC 회로
교류 RC 회로에서는 축전기와 저항기가 직렬로 연결되어 있다. 축전기에 흐르는 전류는 전압보다 위상이 90도 빠르다는 것을 실험을 통해 알 수 있다.
실험 결과에 따르면 축전기의 최대 전압(VC)은 2.601V이고, 저항기의 최대 전압(VR)은 2.566V로 측정되었다. 이를 통해 축전기에 흐르는 전류가 저항기에 흐르는 전류보다 크다는 것을 알 수 있다.
이론적으로 축전기의 용량 리액턴스가 26.5Ω, 저항기의 저항이 101.4Ω으로 계산되었다. 또한 전류와의 시간차는 0.008초, 전류와의 위상차는 172.8도로 나타났다.
실험 고찰 결과, 실험값과 이론값 간에 큰 오차가 발생한 이유는 전류와의 시간차를 줄이지 못했기 때문이다. 전류와의 시간차를 줄이기 위해서는 자기장의 세기를 증가시켜야 한다. 이를 위해 더 큰 저항을 사용하거나 코일에 자석을 넣는 방법을 고려할 수 있다.교류 RC 회로에서 축전기의 특성으로 인해 전압과 전류 사이에 90도...
