본문내용
1. 고체저항, 액체저항 및 다이오드 특성 실험
1.1. 실험 목적
액체저항과 고체저항, 다이오드 사이에는 어떠한 치이와 유사점이 있는지 확인하고 이와 같은 차이와 유사한 현상이 일어나는 원인은 무엇인지 각각에 대한 특성에 대해 규명하는 것이 이번 실험의 목적이다.
1.2. 이론적 배경
1.2.1. 고체저항의 특성
고체저항의 특성은 다음과 같다.
고체저항은 고체 물질로 만들어진 저항기로, 그 크기는 저항의 색깔 띠로 쉽게 알 수 있다. 보통 저항에는 4개의 색 띠가 있는데, 이 색 띠는 각각 10의 자리 수, 1의 자리 수, 10의 지수 및 오차의 크기를 나타낸다. 자리 수 및 지수는 읽는 방법이 있으며, 오차의 경우 gold는 ±5%, silver는 ±10%를 나타내고, 띠가 없으면 ±20%의 오차를 가진다.
고체저항은 온도 변화에 따라 저항 값이 선형적으로 변화하는 특성이 있다. 온도가 증가하면 전자의 열운동이 활발해져 산란이 증가하므로 저항이 증가한다. 이러한 온도 의존성은 비저항의 온도계수로 나타낼 수 있다.
또한 고체저항은 전류가 흐르는 방향과 무관하게 같은 저항 값을 나타내는 등방성을 가지고 있다. 이러한 특성으로 인해 고체저항은 직류와 교류 회로에서 모두 사용될 수 있다.
1.2.2. 다이오드의 특성
다이오드는 한 방향으로만 전류가 흐르는 전기 소자이다. 다이오드는 P-N 접합으로 구성되어 있는데, P형 반도체와 N형 반도체가 접합된 구조이다.
다이오드에서는 순방향과 역방향의 전류-전압 특성이 다르게 나타난다. 순방향으로 전압을 가하면 전압이 일정 수준을 넘어설 때 전류가 급격히 증가하지만, 역방향으로 전압을 가하면 전류가 거의 흐르지 않는다.
순방향에서 전압이 일정 수준을 넘어서면 전류가 급격히 증가하는 이유는 다음과 같다. P형 반도체의 정공과 N형 반도체의 전자가 접합면에서 서로 결합하면서 전류가 흐르기 시작하는데, 이때 접합면에서 공핍층이 형성된다. 순방향 전압이 증가하면 공핍층의 폭이 좁아져 전자와 정공의 재결합이 활발해지고 전류가 급증하게 된다.
반면 역방향에서는 공핍층의 폭이 넓어져 전류가 거의 흐르지 않는다. 다만 역방향 전압이 일정 수준을 넘어서면 전기장의 세기가 커져 공핍층 내에서 전자-정공 쌍이 생성되어 소량의 역방향 전류가 흐르게 된다.
다이오드는 전류의 흐름을 제어하는 용도로 사용되며, 정류회로, 검출기, 증폭기 등 다양한 전자 회로에 널리 활용된다. 또한 발광다이오드(LED)는 전압을 가하면 빛을 내는 특성이 있어 표시 장치 등에 사용된다.""
1.2.3. 액체저항의 특성
액체저항의 특성은 다음과 같다.
액체 내부에는 자유롭게 이동할 수 있는 이온들이 존재한다. 이러한 이온들의 이동이 전류의 흐름을 결정한다. 따라서 액체 저항의 경우 전류의 흐름이 불규칙한 모습을 보인다. 이온들이 이동할 때 서로 충돌하면서 속도가 변하기 때문이다. 이에 반해 고체 저항의 경우 분자들 간의 간격이 일정하여 전류의 흐름이 일정한 모습을 보인다.
또한 액체 저항은 용질의 농도에 따라 전류의 흐름이 달라진다. 용질의 농도가 높아질수록 이온의 수가 증가하여 전류가 더 잘 흐르게 된다. 따라서 액체 저항의 경우 농도에 반비례하여 저항값이 감소하게 된다. 이를 통해 액체 저항의 특성을 파악할 수 있다.
한편 액체 저항의 경우 전압에 따른 전류의 흐름이 비선형적인 형태를 보인다. 이는 이온들의 불규칙한 이동 때문이다. 반면에 고체 저항의 경우 옴의 법칙에 따라 전압과 전류가 선형적인 관계를 보인다.
이처럼 액체 저항은 고체 저항과는 달리 이온의 이동, 용질 농도, 전압-전류 관계 등에서 차이를 보인다. 이러한 특성들을 고려하여 액체 저항의 특성을 이해할 수 있다.
1.3. 실험 장치 및 실험 절차
1.3.1. 실험 장치
실험 장치는 실험 A, B(고체저항 및 다이오드의 특성)와 실험 C(액체저항의 특성)로 구분된다.
실험 A, B(고체저항 및 다이오드의 특성)에 필요한 장비는 다음과 같다. 저항 10Ω 1개, 저항 100Ω 1개, 다이오드 1개, 발광 다이오드 1개, 바나나 플러그 패치 코드(SE-9750) 2개, 악어 집게 2개이다.
실험 C(액체저항의 특성)에 필요한 장비는 비커 또는 샬레 1개, NaCl 소량, 집게막대기 2개, 바나나 플러그 패치 코드(SE-9750) 2개, 액체저항 전극 6개, 스탠드 1개이다.
이와 같이 실험 A, B와 실험 C에 필요한 장비가 구분되어 있으며, 각각의 실험에 필요한 도구들이 제시되어 있다.
1.3.2. 실험 절차
실험 절차는 다음과 같다.
① - Hardware Setup을 맞춘 후, 프로그램으로 회로에 인가된 출력 전압과 회로에 흐르는 전류를 측정한다. 이때의 전류와 전압 값으로 저항을 계산한 다음 액체저항용 전극을 연결하고 소금물을 농도별로 제작한 다음 실험을 진행한다. 또한 물의 질량을 확인한 뒤 소금물 실험을 진행한다.
② - 고체저항을 측정하기 위해 그래프를 확인하고 기울기의 역수가 고체저항의 저항 값이 되는 것을 확인한다. 좌표 툴을 사용해서 정방향에서 전류가 흐르기 시작하는 전압 값을 확인한다. 또한 액체저항을 ...
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