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[일반물리학실험] 흑체복사 실험보고서 평가A+최고예요

흑체복사1. 실험 목적측정된 전압과 전류로부터 전구의 저항력을 결정함으로써 전구 필라멘트의 온도를 간접적으 로 예측할 수 있다. 이 온도로부터 이론상의 피크 파장(peak wavelength)를 계산하고 측정된 피크 파장과 비교할 수 있다.2. 실험 원리1. 흑체흑체란 방출률이 1인 물체이다. 즉 물체에 비추는 전자기파를 반사하는 것 없이 모두다 흡수하고 복사하는 가상의 물체이다. 흑체는 표면 온도에 따라 복사하는 복사파의 강도가 다르다. 온도가 높을수록 낮은 파장의 복사파를 방출한다.1. 플랑크의 복사법칙흑체로부터 방출된 복사 강도는 아래와 같이 플랑크의 복사법칙으로 구할 수 있다.(식 5-1)여기서 c는 진공에서 빛의 속도, h는 플랑크 상수, k는 볼츠만 상수이고, T는 본체의 절대 온도이며, 는 복사파의 파장이다.위 식에 따라 그래프를 그리면(그림 5-1)이 된다.2. 최대 강도의 파장위 식 5-1에서 최대강도를 갖는 파장을 다음과 같이 얻을 수 있다.(식 5-2)여기서 T는 본체의 절대 온도이다. 흑체 조명 필라멘트 온도는 조명이 비춰지는 동안 필라멘트의 저항을 이용해 계산할 수 있지만, 이번 실험에선 흑체 조명의 온도가 측정되기 때문에 할 필요가 없다.3. 실험장치프리즘 분광 광도계, 컴퓨터4. 실험 방법1. 그림과 같이 프리즘 분광광도계를 조립한다.2. 프리즘의 꼭대기가 광원을 향하게 한다. 조준렌즈는 조준 슬릿으로부터 10cm 떨어져 있어야한다.3. 흑체 조명을 전력 증폭기에 꽂는다. 전력 증폭기를 Science Workshop 750 인터페이스의 C채널에 꽂는다.4. 광역 스펙트럼 조도 센서를 인터페이스의 channel A에 꽂는다. 전압 센서를 B채널에 꽃는다. 전압 센서의 바나나 플러그 부분을 흑체 조명에 연결시킨다. 회전센서를 1,2 채널에 꽂는다.5. “Blackbody”라 부르는 DataStudio 설치파일을 연다.6. 조준 슬릿을 설정한다. 조도 센서 마스크를 설정한다.7. DataStudio에서 신호발생기 창을 클릭하고 10V DC로 발생기를 켠다.8. 흑체 광원으로부터 발생한 빛이 적색~보라색 으로 나타나는지 확인한다.9. start 버튼을 누르고 영점을 맞추고, 장치를 돌려 스캔한다.10. 프리즘을 통과해 나오는 빛이 스캔된 점을 이용해 각도를 파장으로 바꾼다.11. 10V 부터 1볼트 씩 내려가며 4V까지 스캔한다.5. 측정값전구에 걸어준 전압온도 (K)측정 전압 (V)피크 파장 (nm)10 V3910.3669.087670.6539 V3748.7968.335675.0498 V3560.3736.909665.927 V3361.0355.152728.0916 V3141.944.356645.295 V2907.742.451829.6494 V2650.4371.548622.763표 5-1(온도는 평균값을 이용하였고, 측정 전압이 가장 높을때의 파장(피크파장)을 표시하였다.)6. 실험 결과그래프 5-1그래프의 가로축은 파장이고, 세로축은 전압인데, 이 전압은 분광광도계에 프리즘을 통과한 빛이광전효과로 인해 생기는 전압이다. 광전효과로 인해 튀어나오는 전자는 빛의 에너지에 비례한다. 즉, 전압이 높을수록 빛의 강도가 세다 라고 볼 수 있다. 걸어주는 전압이 높아질수록 온도가 높은 것을 표 5-1을 보면 확인 할 수 있다. 온도가 높을수록 빛의 강도가 세진다는 것을 알 수 있다. 그리고 가장 강도가 센 파장을 피크 파장이라 하는데 이 피크파장은 온도에 따른 규칙성을 발견하지 못했다.7. 논의식 5-2를 이용해 각 온도일 때의 피크 파장과 실험으로 측정된 피크 파장을 비교해 보았다.온도 (K)파장 (nm)피크파장(이론) nm3910.366670.653741.10709843748.796675.049773.04823560.373665.92813.9596613361.035728.091862.2344013141.94645.29922.36007052907.74829.649996.65031952650.437622.7631093.404597표 5-2스캔을 할 때, 분광 광도계를 직접 돌리면서 스캔을 하는데, 이렇게 돌릴 때 장비가 헛도는 경우가 있었다. 분광 광도계를 돌리면 컴퓨터에서 돌리는 각도를 가로축으로 해서 각도에 따른 전압의 그래프를 그린다. 그런데 분광 광도계를 돌려도 컴퓨터에 그려지는 그래프의 각도(가로축)가 바뀌지 않은 채로 전압(세로축)만 위아래로 움직였다. 이 각도를 파장으로 변환시키는데, 프리즘을 투과하는 빛이 만드는 약한 피크파장을 이용해서 변환하는데, 이 작은 피크파장이 잘 측정되지 않았다. 정리하자면, 첫째, 실험 장비가 헛돌아서 각도에 따른 전압이 제대로 측정되지 않았다. 둘째, 헛돌지 않아서 각도에 따른 전압이 제대로 측정되더라도, 프리즘을 투과한 빛에 의한 피크 파장이 제대로 측정하지 못해서 각도를 파장으로 올바르게 변환하지 못했다. 이러한 요인들이 작용해서 이론과 다른 실험 결과가 나왔다. 좀더 세기가 센 빛을 이용 했다면 프리즘을 통과하는 빛이 더 세졌을 것이며 값을 변환하는데 좀더 수월 했을 것이다.8. 결론프리즘 분광 광도계를 이용해 흑체 조명의 온도에 따른 피크파장을 확인해 보았다. 실험 결과는 실제 이론처럼 온도가 높을수록 피크 파장이 낮아지지는 않았다. 그 이유는 스캔을 할 때 측정 장비가 헛돌았고, 각도를 파장으로 변화할 때 올바르게 변환 하지 못했다는 이유였다. 빛의 세기가 더 강했다면 좀더 정확한 측정이 되었을 것이다.일반물리학 실험 3 실험 보고서PAGE * MERGEFORMAT- 5 -

자연과학| 2020.08.24| 6페이지| 1,500원| 조회(1,299)

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[일반물리학실험] 발머시리즈 실험보고서

발머시리즈1. 실험 목적방전관에서 나오는 빛을 회절격자로 관찰한다. 회절격자 무늬의 간격을 이용해 회절격자 상수를 구할 수 있다. 또한 광원의 정보를 이용해 리드베리 상수도 구할 수 있다.2. 실험 원리(그림 9-1)1. 회절격자 상수회절격자 상수는 회절격자의 틈과 틈 사이 거리로 그 값이 작을수록 더 촘촘한 회절격자이다.회절격자를 통해 램프를 보면 보강 간섭이 나타나는 곳이 있다. 보강 간섭 되는 곳의 사이의 거리를 2l, 파장의 길이를 , 램프와 격자 사이의 거리를 d로 하고, 회절 격자 상수를 g, 시야각을 로 두고 다음의 식을 만족한다.(식 9-1)의 값을 그림 9-1처럼 로 정할 수 있다. 식 9-1을 회절격자상수에 대해 정리하면(식 9-2)로 회절격자상수를 구할 수 있다.2. 리드베리 상수전자기파의 에너지는 다음과같이 전자기파의 진동수과 관련이 있다.(식 9-3)여기서 h는 플랑크 상수이다.보어의 원자모형에 따르면 n번째 준위에 있는 전자의 에너지는 다음과 같다.(식 9-3)여기서 e는 전자의 기본전하, 는 전자의 질량, 는 투자상수, h는 플랑크 상수이다.따라서 전자가 n번째 준위에서 m번째 준위로 떨어진다면 그 에너지 차이는 다음과 같다(식 9-4)이 때 전자의 진동수는n,m = 1, 2, 3… (식 9-5)전자기파의 속도는 빛의 속도이므로 이 성립한다. 이라 하면(식 9-6)이 성립한다. 여기서 는 리드베리 상수로서 그 값은 이다.n = 2 인 준위로 떨어질 때 나오는 전자기파가 발머 계열이다.(그림 9-2)3. 실험장치 및 기구자 2개, 회절 격자, 스탠드 스펙트럼 램프(수은, 수소), spectrum Tube power supply, 고전압공급장치4. 실험방법① 전원공급 장치를 수은 램프에 연결한다.② 램프를 켜고 회절격자를 램프로부터 거리를 0.8m 만큼 둔다.③ 눈을 회절격자에 일정하게 위치시키고 나오는 무늬 사이의 거리를 램프 뒤 자로 측정한다.④ 나오는 무늬 사이의 거리를 잰 후, 거리 d를 0.8m에서 0.05m씩 줄이면서 0.6m까지 줄이면서 무늬 사이의 거리를 측정한다.⑤ 수은램프를 수소 광원으로 바꾸고 위 과정을 반복한다.5. 측정값초록색n = 2d (m)2l (mm)l (mm)0.8499249.50.75513256.50.74862430.65459229.50.6421210.51. 수은광원파랑색n = 1d (m)2l (mm)l (mm)0.8385192.50.75417208.50.7393196.50.653581790.6335167.5노랑색n = 3d (m)2l (mm)l (mm)0.85422710.75559279.50.7521260.50.65495247.50.6459229.5파랑색N = 2d2ll0.85062530.754542270.7433216.50.65399199.50.63721862. 수소광원보라색n =1d (m)2l (mm)l (mm)0.84382190.75399199.50.73801900.653421710.6332166빨강색N = 3d2ll0.8701350.50.75619309.50.7605302.50.655482740.6515257.56. 실험 결과실험 1에서의 격자 상수는 식 9-2로 구할 수 있다. 파랑, 초록, 노랑색 빛의 파장을 각각 434.8 nm, 546.1 nm, 578.0 nm 으로 하고, n=1으로 해서 격자상수를 계산한 값들을 정리했다.파랑초록노랑파장 (m)4.348E-075.461E-075.780E-07격자상수1.85854E-061.8342E-061.80151E-061.62334E-061.68759E-061.65518E-061.60878E-061.66522E-061.65723E-061.63766E-061.64027E-061.6243E-061.61704E-061.6496E-061.61788E-06평균1.66907E-061.69537E-061.67122E-06(표 9-1)실험 2에서 리드베리 상수를 색에 따라 구한 것을 계산해 정리했다. 굵은선 아래에 있는 값들은 평균값이다.빨강파랑보라m=3 > n=2m=4 > n=2m=5 > n=2파장 (nm)리드베리상수 ()파장 (nm)리드베리상수 ()파장 (nm)리드베리상수 ()6.71E+021.07E+075.04E+021.06E+074.41E+021.08E+076.37E+021.13E+074.84E+021.10E+074.30E+021.11E+076.63E+021.09E+074.94E+021.08E+074.38E+021.09E+076.49E+021.11E+074.90E+021.09E+074.25E+021.12E+076.59E+021.09E+074.95E+021.08E+074.46E+021.07E+076.56E+021.10E+074.93E+021.08E+074.36E+021.09E+07(표 9-2)7. 논의실제 실험에서 사용한 회절격자의 회절격자 상수는 이다. 표 9-1은 실험으로 구한 회절격자 상수이다. 그 값은 각각 약 , , 였다. 이 값들을 또 평균내면 이다. 상대오차는 0.45% 이다. 성공적인 실험이었다. 더 많은 값들로 실험해 값들을 평균냈다면, 더 정확한 결과를 도출 할 수 있을 것이다. 수소 방전관에서 방출되는 빛 중, 빨간색이 그림 9-2의 , 파란색이 , 보라색이 를 나타낸다. 알려진 각 방출선들의 파장은 , 이다. 실험으로 구한 값들은 각각 656nm, 493nm, 436nm로 측정되었다. 이 값은 실제 파장들과 거의 같은 값으로 구해졌다. 이 파장들로 리드베리 상수도 구했다. 리드베리 상수의 값은 이다. 실험으로 구한 리드베리 상수는 파장별로, 였으며 이 역시 평균내면 로 실제 값과 별 차이없이 구해졌다. 회절격자로 램프를 볼 때, 눈의 위치를 일정하게 두고 보강간섭점 사이의 거리를 구해야 하는데 이를 신경 쓰면서 관측자는 관측만 하고 길이 측정은 나머지 사람이 함으로 써 더 나은 결과가 나온 것 같다.8. 결론보강 간섭 식을 이용해 회절격자의 상수를 구하였다. 또 수소의 2번 전자 껍질로 떨어지는 전자가 방출하는 빛을 관찰해 파장을 구하고, 이를 이용해 리드베리 상수도 구해 보았다. 실험으로 구한 격자 상수는 였고 실제 값과 0.45%의 상대오차를 보였다. 또, 빨간색, 파란색, 보라색 스펙트럼색의 파장은 각각, 656 nm, 493 nm, 436 nm 였으며 실제 값도 이 값들과 매우 유사하다. 리드베리 상수는 로 구해졌다. 시야각을 일정하게 유지해야하는 주의점을 잘 지켜서 실험하여 큰 오차 요인이 발생 하지 않았다. 실험에서 발생한 작은 오차들은 더 많은 데이터들을 구해 평균내면 충분히 사라질 수 있는 오차들이다. 길이를 측정할 때, 사용한 자의 측정오차로 인해 발생한 오차일 가능성도 있다.9. 참고문헌1. 발머 시리즈 pdf2. Halliday 일반물리학 제 9판 2권일반물리학 실험 3 실험 보고서PAGE * MERGEFORMAT- 7 -

자연과학| 2020.08.24| 7페이지| 1,500원| 조회(291)

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Op Amp 31. 실험 목적비교기와 광검출기를 만들고 이해한다.2. 실험 원리1. comparator (비교기)비교기는 OP AMP의 입력되는 두 전압을 비교하고 어느 것이 더 큰지 알려주는 장치이다.(그림 6-1)과 를 비교하여 그 크기에 따라 을 다르게 출력한다. 예를 들어 를 2.5V로 고정하면, 이 2.5V 이하일 때는 출력 전압(이 - 로 출력되고 2.5 V 이상일 때는 와 같은 전압을 출력한다. 전압의 부호가 바뀌면 전류의 방향이 바뀌는 것이다. 발광 다이오드로 이를 테스트 해볼 수 있다.2. 트랜지스터Figure SEQ Figure * ARABIC 1트랜지스터는 npn형, pnp형 트랜지스터 두 가지 종류가 있다.Figure SEQ Figure * ARABIC 2(그림 6-)은 npn형 트랜지스터이다. E와 C는 n형 반도체고, B는 p형 반도체이다. 이미터와 베이스에는 순방향 전압을 걸고, 베이스와 컬렉터 사이에는 역방향 전압을 건다. 베이스에 전압이 없을 때는 전류가 흐르지 않는다. 베이스에 전압을 넣어주면 E에서 B로 전자가 흐르게 된다.(스위치 작용) 이 때 B가 매우 얇아 뚫고 지나 C까지 전자가 도달하게 되는데, 이로 인해 C에 존재하던 많은 전자들이 흐르게 된다. (증폭 작용) 따라서 E -> B -> C 순으로 전자가 흐르게 되는데 전류의 방향은 이와 반대이므로 C에서 E로 흐르게 된다. 이 때 B에 걸어주는 전압이 커질수록 E 에서 B로 흐르는 전자가 많아지기 때문에 C 에서 E로 더 큰 전류가 흐르게 된다.3. 포토 트랜지스터포토 트랜지스터는 빛에너지를 전기 에너지로 변환하는 광센서의 일종으로, 빛의 세기에 따라 흐르는 전류가 변화하는 광기전력 효과를 이용한다. 이 트랜지스터는 빛이 베이스-컬렉터 접합부에 도달하면 여기에서 광자에 의해 생성된 전자가 베이스에 주입되고 이 전류는 트랜지스터의 전류 이득에 의해 증폭된다. 빠른 빛의 변화에는 추종하기 힘들다 (20 kHz정도가 한계) 그리고 포토 다이오드에 비해 더 민감하고 반응 로 변화시키며 의 전압을 관측한다.④ 입력 전압과 출력 전압의 그래프를 나타내고, 신호가 반전되는 구간을 기록하며 그 이유에 대하여 설명한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 3실험 2 comparator example circuit (발광 다이오드, 가변저항 사용)① (그림 6-)와 같은 회로를 구성한다.② 가변 저항기를 이용하여 Voltage Divider를 해서, 을 변화시키며 의 전압을 관측한다. (LED를 연결하지 않은 상태)③ 입력 전압과 출력 전압의 변화를 나타내고, 신호가 반전되는 구간을 기록한다.④ 출력전압에 LED를 그림과 같이 연결한 후 출력 전압의 상태에 따라 LED불빛이 달라지는 것을 관측하여라.Figure SEQ Figure * ARABIC 4실험 3 photo detector 제작① (그림 6-)와 같은 회로를 구성한다. (② 는 적외선 발광 다이오드, 은 적외선 수광 트랜지스터이다.③ 발광 다이오드와 수광 트랜지스터 사이의 거리 변화에 따른 을 측정한다. 아울러 거리를 일정하게 유지한 상태에서 발광다이오드에 입력 전압 의 변화에 따른 을 측정한다.④ (그림 6-)와 같은 회로를 구성한다. (⑤ 발광 다이오드와 수광 트랜지스터 사이의 거리 변화에 따른 , 수광 트랜지스터양단 전압 , 그리고 양단 전압 , 전류 을 측정한다. 아울러 거리를 일정하게 유지한 상태에서 발광 다이오드의 입력 전압 의 변화에 따른 를 측정한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 5Figure SEQ Figure * ARABIC 65. 실험 결과실험 1 comparator (비교기)Op amp의 전원 -5 V, +5 V(V)(V)0.34.50.64.50.974.51.1-3.72-3.7Figure SEQ Figure * ARABIC 7Figure SEQ Figure * ARABIC 8Figure SEQ Figure * ARABIC 9에 따라 출력되는 전압의 값이 다르다. 에 걸어준 1V를 기준으로 이 그 이상일때와 그 이하-0.184.40.22-3.91.02-3.82.07-3.83.03-3.84.04-3.8Figure SEQ Figure * ARABIC 10Figure SEQ Figure * ARABIC 11Figure SEQ Figure * ARABIC 12LED가 없을 땐 실험 1과 마찬가지로 0V를 기준으로 그 이하일땐 4.4 V, 그 이하일 땐 3.8 V로 측정되었다.(2) LED를 달았을 때-52.39-4.42.4-3.22.4-22.4-12.4-0.12.40.2-2.261.2-2.262-2.263-2.264-2.264.8-2.26Figure SEQ Figure * ARABIC 13Figure SEQ Figure * ARABIC 14LED 를 연결 해 실험을 진행한 결과 이 음수일 경우는 초록색 LED에 불이 들어왔고, 양수일 경우 빨간 LED에 불이 들어왔다.실험 3 photodetector(1) 발광 다이오드와 수광 트랜지스터 사이의 거리 : 5칸04.90.54.914.91.54.51.64.11.73.91.83.71.93.623.52.13.32.232.32.82.42.52.52.32.62.12.71.92.81.72.91.431.33.11.13.20.93.30.73.40.53.50.3Figure SEQ Figure * ARABIC 15(2) 발광 다이오드와 수광 트랜지스터 사이의 거리 : 10칸04.90.54.914.91.54.724.32.53.933.53.13.43.23.33.33.23.43.13.53.13.62.93.72.93.82.73.92.642.54.12.44.22.34.32.24.42.14.52.14.624.71.94.81.74.91.751.65.11.55.21.45.31.35.41.35.51.15.61.15.715.80.95.90.860.86.50.4570.22Figure SEQ Figure * ARABIC 16수광 트랜지스터와 발광 다이오드 사이의 거리가 5칸, 10칸일 때 (발광 다이오드의 세기)에 따라 출력 전압을 측정했다. 다이오드의 세2.0062.006E-061.483.75.113.2673.267E-061.524.45.014.1484.148E-061.574.44.384.7784.778E-061.744.44.215.3145.314E-062.064.44.125.4375.437E-062.54.44.085.4825.482E-0634.44.055.5095.509E-0644.445.560.0000055654.43.975.5915.591E-06Figure SEQ Figure * ARABIC 17(4) 연산 증폭기를 연결했을 때거리 : 12칸0.10.815.10.6516.51E-070.50.815.110.69136.913E-0710.815.110.71267.126E-071.181.0485.110.9469.46E-071.281.35.111.1321.132E-061.431.75.111.5811.581E-061.572.425.112.1522.152E-061.672.95.112.5932.593E-061.763.45.13.040.000003041.873.85.13.4963.496E-061.954.45.014.1074.107E-062.274.44.215.3095.309E-063.074.44.125.4385.438E-064.24.44.075.4885.488E-0654.44.55.510.00000551Figure SEQ Figure * ARABIC 18발광 다이오드의 세기에 따라 이 증가하다가 4.4 V에서 더 이상 올라가지 않는다. 마찬가지로 거리가 더 멀면 출력 전압이 더 느리게 증가한다.6. 결론 및 검토실험 1에선 비교기를 이용해 입력되는 신호를 구분하는 방법을 알았다. 를 1V로 두고, 을 바꾸며 출력 전압을 관찰했다. 그 결과를 그래프로 나타내면 다음과 같다.Figure SEQ Figure * ARABIC 19그래프는 1V를 기준으로 출력 전압의 값이 반전되는 것을 보여주고 있다. 이것이 비교기의 역할이다. 어떤 전압을 정해 두고, 그 전압이 넘으면 출력전압이 반전되게 하는것이다.실험 2는 LED를 이 SEQ Figure * ARABIC 21출력 전압의 크기만 약간 작아졌지 동일하다. 그런데 출력 전압이 반전된다는 소리는 전류의 흐름이 바뀐다는 의미이다. 발광 다이오드로 이를 확인 할 수 있다. 출력 전압이 양일 때엔 초록 LED가 점등되므로 연산증폭기에서 나오는 방향으로 전류가 흐르고, 음일 땐 붉은 LED에 점등이 되므로 연산증폭기로 들어가는 방향으로 전류가 흐르게 된다.실험 3에선 발광 다이오드의 밝기 (즉, )와, 수광 트랜지스터와 발광 다이오드 사이의 거리 따라서 출력 전압이 어떻게 변하는지 측정했다. 먼저 별 다른 장치 없이 (그림 6-)처럼 회로를 만들고 실험을 진행했다. 그 결과 거리가 가까울수록, 다이오드의 세기가 셀수록 출력되는 전압은 낮아졌다. 이는 수광 트랜지스터가 빛을 받게 되면 전류가 흐르게 되는데 이 때문에 수광 트랜지스터에 전압이 걸리게 된다. 이는 voltage divider와 같은 효과로 처음 걸어준 5V 전압이 트랜지스터와 으로 나누어지게 된다. 따라서 트랜지스터에 더 많은 빛이 들어오게 되면, 더 큰 전압이 걸리므로 은 줄어들게 된다. 이를 그래프로 나타내면 다음과 같다.L은 수광 트랜지스터와 발광 다이오드 사이의 거리이다. 거리가 멀면, 수광다이오드로 들어오는 빛의 세기가 줄어들게 되므로 더 천천히 출력전압이 줄어든다. 그리고 발광 다이오드의 세기가 셀수록 출력 전압은 줄어들게 된다.그리고 다음은 op-amp를 이용한 반전 증폭기로 빛의 세기가 커짐에 따라서 더 큰 신호를 내놓는 광 검출기를 만들었다. 결과를 그래프로 나타내면 다음과 같다.그래프들을 살펴보면 모두 이 1~2 V 사이에서 급격히 변하다가 일정한 값으로 유지된다. 은 최대 4.4 V 까지만 측정된다. 이는 op-amp와, 수광 트랜지스터로 만든 광 검출기는 일정세기 이상의 빛은 검출할 수 없다는 뜻이다. 그래프는 1~2 V 사이에서 그 크기가 감소한다. 이는 트랜지스터의 광기전력 효과에 의해 그리 된다. 그 외의 값들은 모두 입력 전압(LED의 세기)가 AT16

공학/기술| 2020.08.24| 17페이지| 3,000원| 조회(106)

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[이학전자학실험보고서] 트랜지스터실험보고서

이학전자실험트랜지스터1. 실험목적-트랜지스터의 기본적인 동작원리를 이해한다-트랜지스터의 3가지 동작모드를 이해한다.-트랜지스터 증폭 특성에 대하여 이해한다.2. 실험이론(1)트랜지스터의 구조(식 3-1)트랜지스터의 가장 핵심적인 기능은 전류증폭기 로서의 기능이다. 즉 미약한 입력신호 전류를 증폭시켜 큰 출력신호 전류가 되도록 하는 기능을 갖는 소자가 트랜지스터이다. 트랜지스터를 이용하여 회로를 적절히 구성하면 베이스 전류를 입력전류로 하고, 컬렉터 전류를 출력전류로 할 때 이들 사이에는 전류 증폭률 의 관계가 성립하게 된다.(2)트랜지스터 이미터 공통회로트랜지스터 회로의 동작특성을 해석하기위해서 가장 중요한 것은 입력전류인 베이스 전류IB, 출력전류인 컬렉터 전류 IC와 입력전류와 출력전류의 비로 정의되는 전류 증폭률를 구하는 것이다.식 3-2)(식 3-3)(식 3-4)트랜지스터는 3가지 동작영역을 갖는다. 차단동작영역, 선형동작영역, 포화 동작영역이 트랜지스터의 3가지 동작영역이다. 위 그림의 트랜지스터 회로에서 (식 3-1) 와 같이 입력전류인 베이스 전류 IB에 트랜지스터 정격 전류증폭률를 곱한 전류값이 출력전류인 컬렉터 전류 IC가 되는 관계를 만족할 때 이를 트랜지스터의 선형동작영역 이라고 한다. 이는 트랜지스터가 전류증폭기로써 정상적으로 동작하고 있는 동작영역이다.이에 비해 트랜지스터 회로에서 컬렉터전류 IC가 베이스 전류 IB에 트랜지스터의 정격 전류증폭률를 곱한 전류값보다 적게 흐르는 경우를 포화 동작영역 이라고한다. 이는 전류증폭기로써 동작하기 위한 컬렉터 전류보다 적은 전류가 흐른다는 의미이다. 이와 같이 트랜지스터가 포화 동작영역에서 동작하게 되는 주요한이유는 베이스전류가 너무 크거나, 컬렉터 전류가 회로조건에의해 제한되기 때문이다. 트랜지스터 회로에서 물리적으로 흐를수 있는 컬렉터 전류의 최대값이 제한되므로 이 이상의 컬렉터전류는 흐를 수없다. 따라서 입력베이스전류에 전류증폭률을 곱한 전류값이 트랜지스터 회로의 물리적인 컬렉터 전류의 최대 부하선을 따라 움직이게 된다. 그결과, 출력전류 Ic와 출력전압 Vce도 교류 성분을 갖게 된다. 이때 교류 성분만을 각각 ib, ic, Vce 라 하면, 그림 3에서는 ib,p-p=0.2mA, ic,p-p=15mA, Vce,p-p=3.6V정도가 된다.이때 출력전류와 입력전류의 비인 전류증폭계수를 계산하면의 큰 값을 얻게된다. 공통 에미터접지의 경우에는 전압도 증폭하는 효과가 있는데,(그림3-3)의 경우에는 전압증폭도a = vce,p-p/vs,p-p = 3.6/2 = 1.8 가 된다.그런데, 같은 트랜지스터를 사용하더라도 바이어스전압이 달라져 동작점이 이동하면 증폭효과도 달라짐을 유의하여야 한다. 예를 들어, (그림3-4)에서 C 점에 동작점이 설정이 되었다고 하면, 베이스전류가0.5mA에서 0.4 mA로 줄어들 때는 그림3의 경우와 마찬가지로 증폭이 되지만, 0.6 mA로 늘어날 때는 증폭이 덜 됨을 알 수 있다 이 경우에는 출력파형이 입력파형을 닮지않고 찌그러지게된다.(4)에미터 접지법(그림3-2)의 접지는 개념적으로 이해하기는 쉽지만, 실제로 잘 쓰이지는 않는다. 대신 전지를 하나만 이용하여 베이스와 컬렉터 바이어스를 거는 (그림3-5) 와 같은 회로를 생각할 수 있다. 이때 순방향전압이 걸린 에미터 접합의 저항은 대단히 작으므로(식 3 – 5)로 쓸 수 있다. (이 식은 식(2)에서Vbe를 무시한 것에 해당한다.)(식3-3)과 (3-4)는 (그림3-5)에도 동일하게 적용된다.증폭회로의 안정성을 높이기 위해서는 (그림3-6a)와 같은 회로가 사용된다. 동작점을 계산하기 위해서 이 회로는 (그림3-6b)와 같이 그려질 수 있고, 로 놓으면 두 개의loop로부터 다음식을 얻을 수 있다.(식 3-6)(식 3-7)(식3-6)의bias line과트랜지스터의transfer curve를 그래프방식으로 풀면 동작점의Ib값과 Ic값을 구할 수 있다. 하지만 bipolar transistor의 transfer curve는거의직선이므로(식 3-8)로 두면, (식3-6) 과ss capacitor CE는 교류에 대한 네거티브 피드백효과를 막아 RE에의해 전류증폭도가 감소하는 것을 막아준다.3. 실험기구 및 재료함수발생기, 오실로스코프, 브레드보드, 저항, 직류전원기, 멀티미터, 콘덴서 ,트랜지스터4. 실험방법실험1 트랜지스터 에미터 공통회로베이스저항 RB,컬렉터저항 RC로 사용할 저항들의 저항값을 측정하고, 트랜지스터 이미터 공통 회로를 구성하여라컬렉터와이미터 사이의 전압 VCE전압을 측정하고, 10kΩ 가변저항 Ri를조정하여 VCE전압이 3V가 되도록 조정하여라.VCC,VCE,VBB,VB(=VBE)를 정확히 측정하고, VRB,VRC,IB,IC,β를 계산하여라.10kΩ 가변저항 Ri를조정하여 컬렉터와 이미터 사이의 전압 VCE가 6V, 9V, 12V가되도록조정하고, 실험 3을 반복하여라. (선형동작영역)10kΩ 가변저항 Ri를조정하여 컬렉터와 이미터 사이의 전압VCE가15V가되도록조정하고, 실험 3을 반복하여라. (차단동작영역)10kΩ 가변저항 Ri를조정하여 컬렉터와 이미터 사이의 전압VCE가 0.2V가되도록조정하고, 실험 3을 반복하여라. 포화동작영역)실험2 트랜지스터의 증폭효과아래 회로를 구성 한 후 IB=10mA ~ 40mA 까지10mA 씩 증가할 때 컬렉터 특성곡선을 그려라.실험3 에미터 접지 증폭기1. 아래 그림과 같이 회로를 구성하되 bypass capacitor CE를 연결하지 말고, vs=0인 상태에서 R을 조정하여 VC가 6 V가 되도록 하시오.2. vs,p-p를 0.2, 0.4, 0.6 0.8, 1.0Vpp로 변화시키며 오실로스코프로 출력 전압을 관측하여 출력 쪽에 나타나는 교류 성분 vc,p-p를 측정하고, 증폭도를 계산하시오. 출력 파형이 찌그러지면 vs,p-p를 연속적으로 변화시키면서 출력 파형이 막 찌그러지기 시작할 때의 vc,p-p를 기록하시오.3. vs=0인 상태에서 R을 조정하여 VC가 3 V가 되도록 한 후 9번 실험을 반복하시오.4. Bypass capacitor CE를 연결하고, 다시 vs=0인01863.30.001874.30.001885.30.001896.30.0018107.30.0018118.30.0018129.30.00181310.30.00181411.30.00181512.30.0018(표 3-2)(V)(V)(A)00.1-6.66667E-0510.30.00046666720.30.00113333330.30.001840.50.00233333350.90.00273333361.90.00273333372.90.00273333383.90.00273333394.90.002733333105.90.002733333116.90.002733333127.90.002733333138.90.002733333149.90.*************.90.002733333(표 3-3)(V)(V)(A)00.019-1.26667E-0510.0910.00060620.1250.0012530.1550.00189666740.1990.00253450.3620.00309260.6840.00354471.3600.0037682.2940.00380493.2700.00382104.220.003853333115.220.003853333126.180.00388137.140.003906667148.130.003913333158.970.00402(표 3-4)(식3-3)을 통해 컬렉터의 전류를 계산하고, 이를 이용하여 Vce전압에 대한 컬렉터 전류의 그래프, 컬렉터 특성곡선을 그린다.(그래프 3-1)실험3(1) by pass(x) Vc : 6V0.2V560mV100mV5.60.4V1.13V200mV6.50.6V1.65V280mV5.80.8V2.21V380mV5.81.0V2.77V450mV6.1(표 3-5)(사진 3-1) 찌그러지기 직전 3.0 Vpp(사진 3-2) 찌그러지기 전 2.9 Vpp(사진 3-3) 찌그러진 후 3.6 Vpp(2)by pass(x) Vc:3V0.2V550mV101mV5.40.4V1.11V185mV6.10.6V1.63V269mV6.20.8V2.13V350mV6.01.0V2.53V418지스터의 증폭을 알아보고 이에 따른 컬렉터의 특성곡선을 그려보는실험, bypass 커패시터의 역할 및 증폭시 증폭이 잘되지않고 실제 파형이 찌그러지는지를 알아보았다.첫 번째 실험부터 하나씩 정리해보기로한다. 첫 번째 실험은 세가지 동작영역에대해서 알아보는실험이었다. 세가지 동작영역은 선형동작영역, 포화 동작영역, 차단동작영역이다. 실험1의 (1,2,3,4)는 선형 동작 영역에 관한실험인데, 이론과 비교해보면 100배 정도 증폭되는 트랜지스터에서 정격 전류증폭률인 베타의 값만큼 베이스의 전류가 증폭되어 컬렉터의 전류가 되어야되는데, 실제로 베이스와 컬렉터의 전류를 계산하여 구하고, 이를 나누어 정격 전류증폭률을 구해보면 네 번의 실험에서 오차 5%이내에서성립함을 볼 수 있다. 결과 (5)는 차단 동작영역에 관한 실험인데, 실제 전류가 흐르지 않고, 정격 전류 증폭률을 정의 할 수 없다. 결과 (6)은 포화 동작 영역인데, 가장 작게 내려가는 전압이 0.7이었고, 정격 전류 증폭률을 구해보면 100보다 한참 낮아서 실제 베이스의 전류를 100배가 아닌 64배 정도밖에 못증폭시켜서, 실제 이론과 같이, 차단동작영역의 형태를 보여주고 있다.두 번째 실험은 컬렉터 특성곡선을 그려보는 실험이었다. 전류를 10마이크로단위로 늘려가면서, 회로의 전압을 측정하였다. 측정한 전압을 바탕으로 계산한 전류와 Vce값을 그래프로 그렸다. 이론에서 알 수 있는 컬렉터 특성곡선의 모양과 동일하게 모양이 나왔다. 전류의 증폭률은 실제 상당히 큰데, 70~100배 가까이 된다. 아까 위에서 본 증폭률과 비슷하고, 실제 그래프에서도 잘보여준다.세 번째 실험은 by capacitor의 역할과 증폭에 따른 파형의 찌그러짐을 알아보는 실험이었다. 이실험은 두세트를 비교해서 보아야한다. 처음 증폭에 따른 파형의 찌그러짐을 보기위해서는 1,2같이 보면된다. 이론은 다음과같다. 바이어스 전압이 달라지면 이에따른 증폭효과가 동일한 트랜지스터라도 달라져서 입력파형과 출력파형이 다르게 표현되고 이것이 파형이19

공학/기술| 2020.08.24| 20페이지| 1,500원| 조회(265)

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[이학전자학실험보고서] 아두이노보드 실험보고서

아두이노1. 실험 목적아두이노를 활용하여 여러가지 회로를 만들어 본다.2. 실험 원리1. 아두이노아두이노는 다양한 스위치나 센서로부터 입력 값을 받아들여 LED나 모니터 같은 전자 장치들로 출력을 제어 함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어 낼 수 있다. 예를 들어 단순한 로봇, 온습도계, 동작 감지기, 음악 및 사운드 장치, 스마트 홈 구현 등의 다양한 제품들이 아두이노를 기반으로 개발 가능한다. 또한 아두이노는 회로가 오픈소스로 공개되어 있으므로 누구나 직접 보드를 만들고 수정할 수 있다.아두이노 보드는 아두이노를 기반으로 여러 종류가 생산되어 판매되고 있다. 주로 AVR의 아트메가를 위주로 만들어 지고, ARM 계열도 포함되어 있다.이번 실험에 사용한 아두이노 보드는 아래와 같은 Arduino UNO 보드이다.Figure SEQ Figure * ARABIC 12. RGB LED이 LED는 붉은색, 초록색, 파란색 총 3색을 동시 또는 따로 낼 수 있는 LED이다. 아래 그림과 같이 생겼으며 애노드에 그라운드를 연결 하고 각각의 다리에 전원을 입력하면 빛을 낸다.Figure SEQ Figure * ARABIC 23. 초음파센서 HC-SR04※ 제원- 입력전압 : 5 V- 대기 상태에서의 전류 < 2 mA- 유효 측정 각도 < 15˚- 유효 측정거리 : 20 ~ 5,000 mm- 측정 해상도 : 3 mm동작 원리- 모듈에 직류전원 5V 를 인가 한 후, Trig 핀을 통해 10 us의 펄스를 인가한다. 그럼 초음파 센서에서 8개의 40 kHz 펄스를 발생시킨다. 측정된 거리에 따라, 150 ~ 25 ms 의 펄스를 Echo핀을 통해 출력한다. 초음파 센서 앞에 방해물이 없다면 38ms 의 펄스를 Echo핀을 통해 발생시킨다.초음파가 장애물에 부딪히기 전까지 이동한 거리는 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.(식 1)이때 V는 초음파의 속도이며(식 2)으로 구할 수 있다.3. 실험기구 및 재료아두이노 보드, 초음파 센서, 블루투스 모듈, 케이블, LED, 빵판, 아두이노 프로그램, 노트북, 스위치, 광센서, 저항 등4. 실험 방법실험 전에- 아두이노 프로그램을 노트북에 설치하고 케이블을 아두이노 보드에 연결한다. 각 실험에 따라 소스코드를 입력하고 업로드 해서 아두이노 보드를 실행 시킨다.- 아두이노에 기본으로 내장된 LED 프로그램을 사용하여 digital pin과 delay를 조절하여 변화를 관측한다.실험 1 깜빡 거리는 LED- 회로를 다음과 구성한다. LED의 (+)는 5번으로 검은선은 GND에 연결한다. 이후 코딩을 하여 회로를 작동시킨 후 1초마다 LED가 깜빡이는지 확인한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 3실험 2 스위치로 켜고 끄는 LED- 회로를 아래와 같이 구성한다. LED를 3번핀에 연결하고, 스위치를 4번 핀으로 연결한다. 그 후 코딩을 하여 실험을 진행한다. 스위치를 누르면 켜지고 다시 누르면 꺼지는지 확인한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 4실험 3 시리얼 통신을 이용한 LED ON/OFF- 회로는 그림 1과 같이 구성하고, 코딩하여 시리얼 통신을 이용해 LED가 켜지고 꺼지는지 확인한다.실험 4 광센서 모듈을 이용한 LED 제어- 그림 3과 같이 회로를 구성하고, 여기에 추가로 LED를 8번 디지털 핀에 연결한다. 광센서에 비추는 빛에 따라 LED가 어떻게 깜빡이는지 확인한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 5실험 5 블루투스를 이용해 스마트폰으로 RGB LED조절하기- 아래와 같은 회로를 구성한다.- LED도 각각의 색깔에 따라 다르게 핀을 연결 해 준다. 이후 휴대폰으로 블루투스로 연결하여 LED를 켰다 끌 수 있는지 확인한다.Figure SEQ Figure * ARABIC 6실험 6 초음파 센서를 이용한 거리 측정-아두이노 보드에 초음파 센서를 이용하여 거리를 측정한다. 초음파 센서의 에코 펄스를 오실로스코프로 측정하여 거리를 계산한다.- 아래와 같이 표 4를 따라 초음파 센서를 연결한다.초음파 센서아두이노VCC5VTrigDigital 2EchoDigital 3GNDGND표 1- 코딩한 후, 회로를 실행시키면 초음파 센서에서 초음파가 나오는데, 지형에 부딪힐 때까지 이동한 거리를 측정해서 알 수 있다. 이 값을 계산값과 비교한다.5. 실험 결과실험 1 깜빡거리는 LED그림 6 깜박거리는 LED실험 2 스위치로 켜고 끄는 LED그림 7 스위치를 누를 때 켜지는 LED실험 3 시리얼 통신을 이용한 LED ON/OFF그림 8 ‘1’을 입력했을 때 (우) ‘2’를 입력했을 때 (좌)실험 4 광센서 모듈을 이용한 LED 제어그림 9그림 10실험 5 블루투스를 이용해 스마트폰으로 RGB LED조절하기그림 11 오른쪽부터 붉은색, 초록색, 파란색 빛을 방출하고있는 RGB LED그림 12 3가지 색을 동시에 방출하는 RGB LED실험 6 초음파 센서를 이용한 거리 측정측정 거리(cm)에코의 속도(us)계산값(cm)오차 (cm)약 21974803404.8275863402.8282.61602.758620690.1586213.341602.758620690.5813793.972404.1379310340.1679316.264006.8965517240.63655210.2860010.344827590.06482815.5990015.517241380.07275927.09160027.58620690.49620733.5180031.034482762.46551740.38240041.379310340.9993154.48330056.896551722.41655266.1390067.241379311.14137984490084.482758620.48275991.8540093.103448281.303448표 2그림 13 Echo 핀의 출력6. 결론 및 검토실험 1에선 예상한대로 LED가 1초 동안 켜지고, 1초동안 꺼졌다를 반복하였다. 스위치를 연결한 2번쨰 실험 역시 스위치를 누르니 LED가 켜졌고, 다시 스위치를 누를 때 꺼졌다. 시리얼 통신을 이용한 3번 실험도 예상한대로 되었다. 프로그램에 ‘1’을 입력하니 켜졌고, ‘2’를 입력하니 다시 꺼졌다. 4번째 실험은, 광센서를 이용한 LED의 발광속도 조절이었다. 광센서에 빛이 많이 들어오면, LED가 느리게 깜빡거리고, 조금 들어오면, LED가 빠르게 깜빡였다. 그림 9, 10을 보면 확인 가능하다. 그림 9는 빛이 많이 들어올 때, 그림 10은 빛을 가렸을 때를 나타낸다. 다섯번째 실험은 블루투스 모듈과 아두이노를 연결해 RGB LED의 발광을 핸드폰으로 제어하는 실험이었다. 휴대폰으로 빨강, 초록, 파랑색을 모두 켜고 끄고 할 수 있었다. 동시에 키는 것도 가능했다. 그림 11, 12를 보면 이를 확인 할 수 있다. 마지막 실험은 초음파 센서를 이용한 장애물과의 거리 측정 실험이었다. 식 1, 2를 이용해 이론값을 계산 할 수 있다. 측정거리가 작을 때엔 (2 cm 이하)에선 초음파 센서가 거리를 측정하지 못하였다. 그 값이 3000cm 이상으로 측정 되었다. 그래서 믿을 만한 측정값은 두번째 값 부터이다. 아두이노에 출력되는 거리와 직접 식 1로 계산한 값을 비교하였다. 표 2에 이를 표시해 두었다. 오차는 대개 1 cm 이하로 측정되었다. 이 센서가 예민해서, 측정 중에 조금만 움직여도 값이 크게 바뀌어서 주의하면서 실험을 진행하였다. 그래도 이 요인이 오차에 큰 영향을 미쳤을 것이다. 그리고 오실로 스코프의 측정 한계로 인해 오차가 발생했을 수 있다.8. 참고문헌 및 출저1. 아두이노 위키백과. https://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EB%91%90%EC%9D%B4%EB%85%B82. RGB LED 사진. http://cafe.naver.com/openrt/6329이학전자학 실험 보고서PAGE * MERGEFORMAT10

공학/기술| 2020.08.24| 11페이지| 1,500원| 조회(228)

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