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신소재프로젝트2 금속 조직변태 A+ 결과레포트 평가A+최고예요

REPORT1. 실험 목적순철 및 0.4Wt%, 0.8Wt%의 탄소강을 각각 노냉, 공냉, 유냉, 수냉하여 냉각 속도에 따른 조직의 변화를 관찰하고, 이에 따른 경도를 측정하여 철강의 조직 변태와 그에 따른 기계적 특성을 이해한다.2. 실험 이론1) Fe-C계 평형상태도순철에는 α, r ,δ의 3동소체가 있으며 이것은 역시 C를 용해하며 α, r ,δ의 고용체를 만든다. α고용체는 723℃에서0.025%C를 r 고용체는 1130℃에서2.0% δ고용체는 1490℃에서 0.1%의 C를 용해한다.-포정반응(peritectic reaction) : 1495℃L(0.53%C) + δ(0.09%C) → γ(0.17%C)-공정반응(eutectic reaction) : 1148℃L(4.3%C) → γ(2.08%C) + Fe3C(6.67%C)-공석반응(eutectoid reaction) : 723℃γ(0.8%C) → α-페라이트(0.02%C) + Fe3C(6.67%C)A:순철의 응고점(1538℃)AB:융액에서 δ고용체가 정출(晶出)하기 시작하는 온도곡선BC:융액에서 γ고용체가 정출하기 시작하는 온도곡선CD:융액에서 cementite가 정출하기 시작하는 온도곡선AH:0.1%C 이하의 강에서 융액으로 부터 δ고용체의 정출을 완료하는 온도곡선HJB:포정선(peritectic line)으로서 0.1~0.51%C의 강에서는 이온도(1494℃)에서 고상 H(δ고용체)+액상 B ↔고상 J(γ고용체)와 같은 포정반응이 일어난다.HN:δ고용체에서 γ고용체가 정출하기 시작하는 온도곡선JN:δ고용체에서 γ고용체의 정출이 끝나는 온도곡선JE:융액에서 γ고용체의 정출이 완료되는 온도곡선ECF:공정선(共晶線)으로서 2.14~6.67%C의 Fe-C 합금에서는 이온도에서(1147℃)에서 액상 C ↔고상 E(γ고용체)+고상F(cementite, Fe3C)인 공정반응을 일으킨다.ES:γ고용체에서 cenentite의 석출이 시작되는 온도곡선이며, Acm 선이라고 한다.GS:γ고용체에서 α고용체가 석출하기 시작, 급랭한 강(steel) 조직의 일종이다. 결정 구조는 면심입방정계(FCC)로서 강을 726℃ 이상으로 가열하였을 때 이루어지는 조직이다. 탄소의 용해도는 1140℃에서 2.1%이며, 탄소 함유량에 따라 오스테나이트의 물리적 기계적 성질이 다르다. 탄소 함유량이 많은 오스테나이트일수록 경도가 커진다. 오스테나이트는 비자성체이며 전기 저항이 크다. 경도는 마텐자이트보다 적지만 인장강도와 비교하면 연신이 크다. 또 상온에서는 불안정한 조직으로서 상온 가공을 하면 마텐자이트로 변화한다. 현미경으로 보면 다각형의 조직을 나타낸다. 급랭한 강에서 잔류하는 오스테나이트 조직의 양은 고탄소강일수록, 담금질 온도가 높을수록 많다.γ(0.8%C)→α(88%)+Fe _{3`} C(12%) Austenite의 grain boundary는 ferrite, cementite, pearlite, martensite의 핵생성 site로 작용-시멘타이트Fe _{3`} C를 조직학상으로 cementite라 부름, 고용체라기보다는 금속간화합물이며 단위격자 당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가지는 사방정(orthorhombic), 단위정당 6.7w/c의 탄소 함유, 매우 단단하여 강의 강도향상에 기여-펄라이트(Perlite, 공석강)페라이트와 시멘타이트의 공석정(eutectoid)을 펄라이트라 한다. 현미경으로 페라이트와 시멘타이트의 얇은 편이 서로 층상으로 되어 있으며, 현미경을 통해 보았을 때 진주 같은 광택이 나타나서 펄라이트라 명명하였다. 펄라이트 조직은 오스테나이트 상태의 강을 서서히 냉각(풀림)하였을 때 생기는 조직이며 풀림된 상태의 것이다. 펄라이트 속의 탄소 농도는 항상 일정하며 약 0.85%이다. 펄라이트는 경도가 작고 자력성이 있다. 비중은 오스테나이트와 마텐자이트의 중간이며, 강의 조직 중에서 가장 안정되어 있다. 페라이트와 시멘타이트가 층상으로 되어있는 것을 펄라이트라 하며, 그 층 간격의 대소에 따라 보통 펄라이트, 중 펄라이트, 미세 펄라이트의 세가지로 분류하고게 되면 단상의 Austenite가 되는데, 이와 같이 Austenite 화한 후에 A1 변태온도 이하의 어느 온도로 급랭시켜서 이온도에서 시간이 지남에 따라 Austenite 의 변태를 나타낸 곡선을 항온변태곡선(Isothermal transformation curve)이라 하고, 다른 용어로는 TTT곡선, C곡선, 또는 S곡선이라고 칭한다. TTT curve의 특징은 변태가 시작되는 시간과 종료되는 시간을 나타낸다는 것으로서, 일반적으로 nose온도 위에서 항온 변태시키면 Pearlite가 형성되고, nose 아래의 온도에서 항온 변태시키면 Bainite가 형성된다. Pearlite와 Bainite 두 조직 모두 Ferrite와 Cementite로 이루어져 있으나, Pearlite는 두 상이 교대로 반복되는 층상조직을 나타내고 있고 Bainite 는 침상에 가까운 형태를 나타낸다. 또한 Pearlite 형성온도범위 중 비교적 높은 온도에서 형성된 Pearlite는 조대하고, 비교적 낮은 온도에서 형성된 Pearlite는 미세하다. Bainite 역시 형성온도에 따라 조직의 차이를 보인다.4) 연속 냉각변태곡선:C.C.T.곡선(Continuous Cooling Transformation curve)변태점 이상의 Austenite化 온도에서 A. 변태점 이상의 상당한 온도에 소입하여 그 온도에서 등온유지 직접 변태시켜 변태 종료 후 냉각하는 열처리를 등온 열처리 라하며 등온변태곡선에 도시되어 있다.Austenite를 여러 속도로 연속적으로 냉각시의 변태의 양상을 온도와 시간의 관계로 도시한 것을 연속냉각곡선(CCT곡선)이라하며 느린 경우는 공석탄소강의 경우 V₃보다 냉각이 전부 Pearlite변태이며 V₃와 V₄의 중간의 냉각의 경우는 미세Pearlite와 Martensite의 혼합조직이 되고 냉각곡선V₄의 냉각속도(임계냉각속도)Martensite보다 빠른 냉각속도에서만의 완전담금질 조직을 얻는다.5) 로크웰 경도시험Rockwell Hardness는 B스케일과이 얻어진다.② 공냉(air cooling)공냉이란 가열된 철강을 조용하게 대기 중에서 방치하여 냉각하는 조작을 말한다. 노멀라이징시에 사용되는 냉각 방법이다. 일반적인 펄라이트 조직이 생긴다.③ 유냉(oil quenching)기름 속에서 급랭시키는 조작. 표면은 기름과 직접 접촉하니 열이 금방 빠져나가서 경화가 되지만 중심부는 열이 빠져나가는데 시간이 더 걸린다. 그래서 표면에는 충분히 냉각속도가 빨라 마르텐사이트 조직이 되어 경화하는 반면 상대적으로 중심부는 냉각속도가 느려 펄라이트가 된다.④ 수냉(water cooling)물속에 넣어 급랭하는 조작. 수냉을 하여 철강이 경화되는 것을 물 담금질(water hardening)이라 한다. 마텐자이트를 얻을 수 있으며, 침상의 조직으로 열처리 조직 중 경도가 최대이고, 부식에 강하다.3. 실험 방법① 시편들을 전기로 속에서 가열(1000℃, 30분)② 열처리한 시편들을 수냉, 공냉, 노냉③ 시편의 관찰면을 균일하게 연마(수평, 양면)④ 연마가 된 시편을 초음파세척기로 세척⑤ 준비된 Etching액(에탄올 100ml + HNO3 5ml)으로 Etching⑥ 현미경으로 조직관찰⑦ 로크웰 경도기를 이용한 경도 측정4. 실험 결과1) 조직변태 관찰순철0.45wt% 탄소강0.8wt% 탄소강노냉공냉수냉12345평균순철공냉106.64042.59797.259.83333수냉108.5109110.5109.5105109노냉806176.57479.576.666670.4wt% C공냉114110112.5120109112.1667수냉*************16.5121노냉108108.5110112.5119111.83330.8wt%C공냉122.510995.5129128119.8333수냉111122123.5119120120.3333노냉111117116.5116112114.83332) 경도 실험5. 고찰순철, 0.4wt%, 0.8wt%의 탄소강을 노냉, 공냉, 유냉, 수냉한 시편을 연마하여서 각각의 냉각 속도에 따른 grain size와 경도고 부른다.nose온도 위에서 항온 변태시키면 Pearlite가 형성되고, nose 아래의 온도에서 항온 변태시키면 Bainite가 형성된다. Pearlite와 Bainite 두 조직 모두 Ferrite와 Cementite로 이루어져 있으나, Pearlite는 두 상이 교대로 반복되는 층상조직을 나타내고 있고 Bainite 는 침상에 가까운 형태를 나타낸다. 또한 Pearlite 형성온도범위 중 비교적 높은온도에서 형성된 Pearlite는 조대하고, 비교적 낮은 온도에서 형성된 Pearlite는 미세하다. 곡선을 보면 Pearlite 변태를 일으키고 난 후에야 Bainite 변태 개시선이 통과된다는 것이다. 이 사실은 연속냉각에 의해서는 Bainite 변태가 일어날 수 없다는 것것을 볼 수 있다. 따라서 Bainite 조직을 얻기 위해서는 공석강을 Ms온도와 nose 온도 사이로 급랭시켜서 항온 변태시켜야 관찰할 수 있다는 것을 의미한다.아공석강인 0.4%C강에서는 또 다른 곡선이 하나 존재하는데, 이것은 초석Ferrite가 형성되기 시작하는 시간을 나타내는 곡선이다. 공석강과 아공석강의 항온변태곡선을 보면 Martensite가 형성되기 시작하는 온도인 Ms 온도가 다르다는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 탄소함량이 적을수록 Ms 온도는 올라간다.노냉, 공냉, 유냉, 수냉은 냉각속도에서 차이가 있는데 냉각 속도는 수냉>유냉>공냉>노냉 순으로 빠르다. 제일 느린 냉각속도인 노냉에서는 냉각곡선이 Pearlite 변태의 개시 및 종료선을 통과하고 있다. 그러므로 노냉 시에는 Austenite가 Pearlite로 변태하게 된다는 것을 확인할 수 있다. 특히 이 변태가 변태개시선의 가장 높은 온도에서 일어나므로 이 Pearlite 조직은 조대하게 된다. 좀더 빠른 냉각속도인 공냉에서도 역시 냉각곡선이 Pearlite 변태의 개시 및 종료선을 통과하고 있으므로 Austenite는 Pearlite로 변태된다. 그러나 변태개시온도가 노냉 시보다는 약간 낮기 때문에 Pear된다.

공학/기술| 2024.02.09| 8페이지| 3,000원| 조회(297)

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신소재프로젝트2 금속 조직변태 A+ 예비레포트

REPORT실험 목적 : 순철 및 0.4Wt%, 0.8Wt%의 탄소강을 각각 노냉, 공냉, 유냉, 수냉하여 냉각 속도에 따른 조직의 변화를 관찰하고, 이에 따른 경도를 측정하여 철강의 조직 변태와 그에 따른 기계적 특성을 이해한다.실험 이론1. 순철과 탄소강1) 순철(1) 순철의 성질: 탄소의 함유량이 0 - 0.025% 정도이므로 연하고 전연성이 풍부하여 기계재료로는 거의 쓰이지 않으나 전기 재료로 많이 사용한다.(2) 순철의 변태 : 동소 변태와 자기 변태- 동소 변태: 순철에는 α, γ, δ철의 3개 동소체가 있는데 910℃ 이하에서는 α철로 bcc, 910 - 1400℃ 사이에서는 γ철로 fcc이며, 1400℃이상에서는 δ철로 bcc이다.- 자기변태: 강은 강자성체이나 가열하면 자성이 점점 약해져서 768℃ 부근에서는 급격히 상자성체가 된다.2) 탄소강(1) 탄소강의 성질① 물리적 성질과 화학적 성질강은 순철에 가까운 ferrite와 cementite가 혼합된 것으로 비중, 열팽창계수, 열전도율은 탄소량의 증가에 따라 감소하나 비열, 전기 저항, 항자력은 증가한다. 또한 내식성은 탄소량이 증가할수록 감소하고 소량의 Cu가 첨가되면 내식성은 급증한다.② 기계적 성질상온에서의 기계적 성질은 아공석강에서는 탄소함유량에 비례하여 거의 직선적으로 변하여 인장강도, 경도, 항복점등은 탄소량의 증가에 따라 증가하고, 공석강에서는 인장강도가 최대로 되며, 연신율 및 단면 수축율은 탄소량과 더불어 감소한다. 또한 과공석강에서는 cementite가 망상으로 나타나므로 인장강도는 탄소가 증가하여도 감소되나 경도는 증가한다.③ 온도에 따른 기계적 성질동일 성분의 탄소강이라도 온도에 따라 그 기계적 성질은 매우 달라지는데, 탄소가 0.25%인 강을 예로 들면 0 - 500℃ 사이에서 일어나는 성질변화는 탄성계수, 탄성한계, 항복점 등은 온도의 상승에 따라 감소하고, 인장강도는 200 - 300℃ 까지는 상승하여 최대가 되며, 연신율과 단면 수축율은 온도상승에 따라 감소하여 인다. 이 범위의 탄소강은 비교적 용도가 적다.③ 0.6%C 이상의 고탄소강: 구조용재로서 0.6%C 이상의 고탄소강을 사용하는 일은 거의 없으나 공구강, 핀, 차륜, 레일, 스프링 등과 같은 내마모성, 고 항복점을 요구하는 물품에 사용된다.2. Fe-C계 평형상태도순철에는 α, r ,δ의 3동소체가 있으며 이것은 역시 C를 용해하며 α, r ,δ의 고용체를 만든다. α고용체는 723℃에서0.025%C를 r 고용체는 1130℃에서2.0% δ고용체는 1490℃에서 0.1%의 C를 용해한다.-포정반응(peritectic reaction) : 1495℃L(0.53%C) + δ(0.09%C) → γ(0.17%C)-공정반응(eutectic reaction) : 1148℃L(4.3%C) → γ(2.08%C) + Fe3C(6.67%C)-공석반응(eutectoid reaction) : 723℃γ(0.8%C) → α-페라이트(0.02%C) + Fe3C(6.67%C)A: 순철의 응고점(1538℃)AB: 융액에서 δ고용체가 정출(晶出)하기 시작하는 온도곡선BC: 융액에서 γ고용체가 정출하기 시작하는 온도곡선CD: 융액에서 cementite가 정출하기 시작하는 온도곡선AH: 0.1%C 이하의 강에서 융액으로 부터 δ고용체의 정출을 완료하는 온도곡선HJB: 포정선(包晶線; peritectic line)으러서 0.1~0.51%C의 강에서는 이 온도(1494℃)에서고상 H(δ고용체)+액상 B ↔고상 J(γ고용체)와 같은 포정반응이 일어난다.HN: δ고용체에서 γ고용체가 정출하기 시작하는 온도곡선JN: δ고용체에서 γ고용체의 정출이 끝나는 온도곡선JE: 융액에서 γ고용체의 정출이 완료되는 온도곡선ECF: 공정선(共晶線)으로서 2.14~6.67%C의 Fe-C 합금에서는 이 온도에서(1147℃)에서액상 C ↔고상 E(γ고용체)+고상F(cementite, Fe3C)인 공정반응을 일으킨다.ES: γ고용체에서 cenentite의 석출이 시작되는 온도곡선이며, Acm 선이라고 한다.GS: γ고용체에서 2.08%로 최대이며, 온도가 내려감에 따라서 감소하여 723℃에서 0.8%로 된다.γ(0.8%C)→α(88%)+Fe _{3`} C(12%)Austenite의 grain boundary는 ferrite, cementite, pearlite,martensite의 핵생성 site로 작용- 시멘타이트Fe _{3`} C를 조직학상으로 cementite라 부름,고용체라기보다는 금속간화합물단위격자당 12개의 Fe원자와 4개의 C원자를 가지는 사방정(orthorhombic)단위정당 6.7w/c의 탄소 함유매우 단단하여 강의 강도향상에 기여- δ페라이트?δ철의 탄소고용체BCC 결정구조δ페라이트내의 최대탄소고용도는 1495℃에서 0.09%- 펄라이트(Perlite, 공석강)페라이트와 시멘타이트의 층상 혼합물* 페라이트 (Ferrite) : 상온에서의 안정된 형태인 α철의 결정구조이다. 이는 체심입방구조(BCC)를 가진다.* 시멘타이트 (Cementite) : 철과 탄소가 결합한 탄화물로, 고온의 강철 속에 생긴다. 탄화철(Fe3C)이며 탄소는 6.67% 함량하고 있다.* 펄라이트 (Pearlite) : 페라이트와 시멘타이트의 공석정(eutectoid)을 펄라이트라 한다. 현미경으로 페라이트와 시멘타이트의 얇은 편이 서로 층상으로 되어 있으며, 현미경을 통해 보았을 때 진주 같은 광택이 나타나서 펄라이트라 명명하였다. 펄라이트 조직은 오스테나이트 상태의 강을 서서히 냉각(풀림)하였을 때 생기는 조직이며 풀림된 상태의 것이다. 펄라이트 속의 탄소 농도는 항상 일정하며 약 0.85%이다. 펄라이트는 경도가 작고 자력성이 있다. 비중은 오스테나이트와 마텐자이트의 중간이며, 강의 조직 중에서 가장 안정되어 있다. 페라이트와 시멘타이트가 층상으로 되어있는 것을 펄라이트라 하며, 그 층 간격의 대소에 따라 보통 펄라이트, 중 펄라이트, 미세 펄라이트의 세가지로 분류하고 있다.* 오스테나이트 (Austenite) ; 탄소를 고용하고 있는 γ철이며, 급랭한 강(steel) 조직의 일종이다.이트)와 체심입방정계(BCC) (β-마텐자이트)이며, 현미경으로 보면 삼베모양 또는 침상 조직으로 되어 있다. 강을 급랭하여 변태가 생겼을 때와 오스테나이트를 상온 가공함으로써 된 조직이며, 상온에서는 불안정하다. 강의 급랭 조직 중에 가장 경도가 크며 여리다. 강력한 자성이 있으며 오스테나이트보다 밀도가 적다.4. TTT곡선항온변태 및 항온변태곡선(TTT Curve)공석강을 A1 변태온도 이상으로 가열한 후 어느 정도의 시간을 유지하게 되면 단상의 Austenite 가 되는데, 이와 같이 Austenite 화한 후에 A1 변태온도 이하의 어느 온도로 급랭시켜서 이 온도에서 시간이 지남에 따라 Austenite 의 변태를 나타낸 곡선을 항온변태곡선(Isothermal transformation curve)이라 하고, 다른 용어로는 TTT곡선(time-temperature-transformation curve), C곡선, 또는 S곡선이라고 칭한다.그림 1. 공석강의 항온변태곡선그림 1은 공석강(0.8%C강)의 전형적인 TTT curve를 나타낸 것이다. TTT curve는 2개의 C자 형상을 가진 곡선으로 구성되어 있는데, 왼쪽 곡선은 변태 개시선을, 오른쪽 곡선은 변태 종료선을 나타낸다.또한 550℃ 부근의 온도에서 곡선이 왼쪽으로 돌출되어 있는데, 이것은 변태가 이 온도에서 가장 먼저 시작된다는 것을 의미하는 것으로서 이 곡선의 nose라고 부른다.TTT curve의 특징은 변태가 시작되는 시간과 종료되는 시간을 나타낸다는 것으로서, 일반적으로 nose온도 위에서 항온 변태시키면 Pearlite가 형성되고, nose 아래의 온도에서 항온 변태시키면 Bainite가 형성된다.Pearlite와 Bainite 두 조직 모두 Ferrite와 Cementite로 이루어져 있으나, Pearlite는 두 상이 교대로 반복되는 층상조직을 나타내고 있고 Bainite 는 침상에 가까운 형태를 나타낸다. 또한 Pearlite 형성온도범위 중 비교적 높은 온도에서 형성된 Pea고, A1선으로 온도가 올라갈수록 시간이 오래 걸린다. 또 그림 2의 (c)에서 보면 아공석강인 0.5%C강에서는 또 다른 곡선이 하나 존재하는데, 이것은 초석Ferrite가 형성되기 시작하는 시간을 나타내는 곡선이다. 이와 비슷하게 과공석강에서도 초석Cementite가 형성되기 시작하는 곡선이 존재한다. 공석강과 아공석강의 항온변태곡선에서 나타나는 또 하나의 차이점은 Martensite가 형성되기 시작하는 온도인 Ms 온도가 다르다는 것이다. 일반적으로 탄소함량이 적을수록 Ms 온도는 올라간다.Bainite 의 형성공석강을 약 550℃이하의 온도에서 항온 변태시키면 Bainite 가 형성되기 시작한다. Bainite 의 형성은 Austenite결정립계에서 Ferrite 핵의 형성으로부터 시작된다고 가정하고 있다. Ferrite 핵이 형성되면 주위의 Austenite 탄소농도는 증가해서 Cementite 가 형성되어, Ferrite 와 Cementite 가 나란히 성장해간다.Bainite 는 형성온도에 따라 상부 Bainite 와 하부 Bainite 로 분류되는데, 공석강을 860℃에서 Austenite 화 한 후 500℃에서 0.5초간 항온 변태시킨 상부 Bainite 조직을 보면 깃털모양의 상부 Bainite 조직과 일부 Pearlite가 나타나는 것을 알 수 있다. 일반적으로 상부 Bainite 는 비교적 취약한 반면, 하부 Bainite 는 비교적 인성을가지고 있는 것으로 알려져 있다.한편 비교적 낮은 온도인 300℃에서 형성된 하부 Bainite 조직은 상부 Bainite 와는 다른 형태를 나타낸다. 공석강을 860℃에서 Austenite 화 한 후 300℃에서 항온유지시간에 따른 조직의 변화를 보면 형태는 깃털모양이라기 보다는 침상의 형태를 보이고 있다.공석강에서 상부 Bainite 에서 하부 Bainite 로의 천이는 350℃ 정도에서 일어나지만 그 경계를 명확히 구분하기는 어렵다. 그러나 상부 Bainite 의 경도는 변태온도에 따라 약간 변화되5이다.

공학/기술| 2024.02.09| 9페이지| 3,000원| 조회(251)

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REPORT그림입니다.원본 그림의 이름: 20200410_110911.png원본 그림의 크기: 가로 160pixel, 세로 44pixel그림입니다.원본 그림의 이름: 20200410_111030.png원본 그림의 크기: 가로 318pixel, 세로 378pixel금속(분극) 결과레포트□ 실험목적전기화학적 분극 곡선의 측정에 의하여 금속의 부식 속도를 구하고 분극 곡선 측정이 내식성 재료 선정 및 개발에 어떻게 활용되는지 알아본다□ 실험이론부식(Corrosion)금속의 표면에서 주위환경과의 전기적 또는 화학적 반응에 의해 산화 또는 변질되어 가는 것을 부식이라 한다. 부식의 가장 중요한 특징은 전기화학적 기구에 의해 발생한다는 것이다.전기 화학적 부식금속 재료를 수용액 중에 넣으면 금속 표면의 불균일성 때문에 Anode(양극)와 Cathode(음극)가 형성되어 국부전지작용에 의해 부식이 진행된다. Anode 부에는 금속이 이온으로 용출하고 Cathode 부에서는 전지를 받아 수소 발생반응(또는 산화환원반응)이 일어나 전하적으로는 양극이 균형을 이루게된다. 이 경우, Anode 부에서 일어나는 반응을 산화반응, Cathode 부에서 일어나는 반응을 환원반응이라고 한다. 또한, 이러한 분극의 위치가 변화함에 따라 금속은 전면 부식형태로 된다. 용액에 넣었을 때, 얻어지는 전지로, 자발적인 산화-환원 반응에 의하여 전기를 발생시킬 수 있는 장치이다. 전지는 환원 전극을 통해 전기로 들어가고 산화 전극에서 방출된다.Nernst 식수식입니다.E`=`E ^{0} - {RT} over {nF} lnQ#E:`전위#E ^{0} :`표준전위#n:`반응에`관여하는`전자`수#F:`패러데이`상수(Faraday`Constant)#R:`기체상수#T:`절대온도(K`=`T`+`273.2)#Q:`반응지수표준 전위는 대체로 실험적으로 측정된 값이 존재하기 때문에 반응에 대한 표준전위를 찾아서 넣고, 실험이 실제 진행되는 온도와 활성물의 반응지수, 반응에 이용되는 전자 수를 넣으면 이론적인 전위값이 나오게된다. 결국 네른스트 식은 전극 반응에서 이상적인 표준전위를 알려주는 식이며, 또한 반응물에서 생성물이 형성되는 온도와 압력에 따라 평형전위가 변하는 상호관계를 보여준다.전류가 흐를 때의 전극이 네른스트 식의 근사하 값을 보이면 이 전극은 과전압의 영향을 거의 받지 않는다고 볼 수 있으며 이는 가역반응(Reversible)을 보인다고 설명할 수 있다. 즉 네른스트 식은 만들어진 전극의 효율성을 평가하는데 이용되는 이론값을 구할 때 쓰는 공식으로 활용할 수 있다.전기화학적 분극(Polarizaton)과 분극의 종류-활성화 분극 (Activation Polarization)-농도 분극 (Concentration Polarization)부동태(Passivity)어떤 금속은 열역학적 면에서 볼 때 급속히 부식되리라 예상되는데도 불구하고 어떤 특수한 환경에서는 아주 낮은 부식속도를 나타낸다. 이때 이 금속은 부동태에 있다고 하며 주위환경의 변화에 따라 다시 급속히 부식될 수 있다. 즉 부동태에서 활성태로 변한다. 다시 말하면 부동태는 특수한 금속/부식환경 짝이 이루어질 때 생긴다. 부동태를 잘 나타내는 금속들의 예를 들면 철, 크롬, 티타니움, 니켈 및 이들 금속의 합금들이 있다.부동태는 전기전도성이 있는 얇은 산화피막으로 금속이 덮혀있특성을 나타낸다. 낮은 산화전류밀도를 나타내는 전위범위를 부동태 영역이라 부르며 환원반응 짝의 음분극곤서이 이 부동태 영역에서 양분극곤선과 만나게 되면 부식전위가 이 부동태 영역에 있게되고 부식전류는 아주 낮게 된다. 따라서 금속의 합금원소를 조절하거나 첨가하여 그림 26-4에 화살표로 나타낸 바와 같이 부동태의 가능성을 증가시키면 좋은 내식합금을 만들 수 있다.그림입니다.원본 그림의 이름: CLP0000272c16f7.bmp원본 그림의 크기: 가로 332pixel, 세로 218pixel□ 실험방법① Silver paste이용해 시편과 구리선 접착한다.(12h):실제로는 부식이 수 십년 그 이상 걸릴 수 있으므로 전압으로 부식을 시킨다. 은(silver)은 전류가 잘 통하게 하여 구리선과 연결된 부분 전류가 세어 나가지 않도록 시편으로만 전자가 가도록 한다.② Mounting(24h) → 접촉 확인③ Polishing(400 ~ 2000, 알루미나)④ 초음파 세척⑤ 30% 황산 용액에서 분극 시험황산 30 증류수 70 수용액에 상온 24~25를 유지하고, SCE를 꽂고, 백금을 꽂는다. 백금을 꽂는 이유는 반응성이 없기 때문이다. 전극에서 산화가 일어나면서 메탈 이온이 되고 전자가 나오게 된다. 전류가 곧 에너지이므로 계속 전자가 나오면 터지는 현상이 발생하기에 백금을 저어 전자를 받아주는 역할을 하도록 한다. 나온 전자가 백금 이온과 만나 백금이 된다(환원반응)□ 실험결과Ecorr(부식전위) : 부식(산화)이 일어나기 시작하는 전압icorr(전류밀도) : 부식(산화)가 일어나기 시작하는 전류밀도ipass : passive(부동태) 전류밀도, ipass는 방식을 유지하는데 필요, 사용비용에 관련 값이 작을수록 좋다.icrit : 전류밀도icrit, 방식을 시작하는데 필요한전류, 이값이 적을수록 좋다.Epp : 1차 부동태 전위 (외부에서의 전위)SCE : 전극 전위(英 saturated calomel electrode)의 약기호. 단, 이것을 단순히 SCE라고 아니라 시편은 여섯면으로 되어있기 때문에 수용액에 들어가면 사방이 부식이 되므로 실험값을 측정하는데 어려움이 있다. 그러므로 연마한 면을 제외한 다른 면들을 감싸주어 전류가 통하지 않게 하여 폴리싱한 부분만을 전류가 통하게 하기 위해서이다.이렇게 시편준비를 하고 사진과 같은 플라스크를 사용한다.전극에는 세가지 전극이 있는데Working electrode(작동 전극)은 측정하고자 하는 시편을뜻한다.Reference electrode(기준전극)은 말그대로 시험체의 전위를 부과하는 데에 있어서 기준이 되는 전극이다. 주로 칼로멜 전극(S.C.E)이나 AgCl전극을 사용한다.Counter electrode(대전극)은 시험체에 소정의 전위를 가하거나 소정의 전류를 흐르게 하기 위한 목적으로 시험체와 연결된 전극을 말한다. 단순히 전자만 받아주고 수용액내에서 아무런 반응도 일어나지 않게끔 한다. 주로 전기화학적으로 안정된 백금이나 탄소봉이 이용되고 있다. 왜냐하면백금(Pt)은 원자번호가 높기 때문에 반응성이 낮은데 전압을 계속 걸어주는 이 실험에서는 시편에서 과하게 나온 전자를 받아주는 음극 역할을 위해 넣어준다. 또한 염교(Salt bride)는 Reference electrode와 working elctrode사이를 전기적으로 연결하는 통로이다. 물리적으로 둘 사이를 차단하는 것인데 RE가 전해질 수용액의 영향을 받지 않도록 하기 위해서 설치하지만 측정시간이 짧을 때에는 사용하지 않는 경우도 많다.이렇게 세팅을하고 프로그램을 사용해서 측정하고자 하는 시편에 부식을 시켜서 그래프를 뽑아낸다.위의 그래프와 같이 실험을 통하여 얻은 시험체의 전극전위(E)와 전류밀도(i)의 관계를 정리한 것을 전위-전류곡선 또는 분극곡선(Polarization curve)이라고 부른다. 우리가 실험에서 구한 곡선은 금속 표면에서 자연적으로 발생하는 내부 분극과 다른 외부 분극 곡선이다. 외부 분극 곡선은 인위적으로 분극을 유도하는 것으로 외부 전기 회로를 통해 금속에 인위적으로 기전력을 전압이 증가함에 따라 전류밀도가 계속 증가하는 추세를 보인다. 이러한 상태를Anode활성태 상태(Active state)라고 하며 Anode부식 속도가 증가함을 알 수 있다. 그러나 Anode부식은 어느 전극 전위값(Ep)을 지나면서 급격하게 감소하게 된다. 이러한 Anode부식 전류는 일정 범위의 전위 변화 중에서도거의 변화가 없고수직에 가까운 구간이 나타난다. 이 구간은 전압을 증가시켜도 전류밀도가 거의 변화하지 않는 상태이다. 이러한 현상을 금속의부동태화(Passive state)라고 한다. 그리고 부동태가 나타나는 전위가 더 증가하게 되면 (Etp)에 도달하면과부동태영역(Trans-passivestate)으로 진입하여 다시 전류밀도가 증가한다. 이것은 전해액 중에서산소가 발생하는 조건이 되고 부동태가 용해되기 때문이다. 금속의 종류에 따라서는 과부동태 영역을 지나서 2차 부동태가 나타나는 경우도 있다. 부동태 영역에서는 부식 생성물(산화물 또는 수산화물)이 금속 표면에 안정적으로 도포되어 있는 상태를 말하는 것으로서, 산화물이 부식을 촉진하는 전해질 수용액과 금속을 차단시키는 역할을 하게 된다. 당연히 그 결과로서 부식이 더 이상 진전하지 않는다든지 또는 매우 낮은 부식 속도를 나타내게 된다.산화환원반응 관찰에 초점을 두면 부식은 산화반응이 일어나면서 전자가 나올 때 발생하는데 전자가 많이 나올수록 많이 산화되어 부식도 많이 된다고 볼 수 있다. 전압을 걸어주면서 왼쪽 위를 향해 올라가는 구간은 전압은 증가하는데 전류는 감소하고 있으므로 전자가 시편으로 들어가는 환원반응이다. 그리고 그 후에 오른쪽 위를 향해 올라가는 구간은 전압이 증가함에 따라 전류도 증가하고 있으므로 전자가 시편에서 나오는 산화반응이다.304,316 모두 passivity현상을 가지고 있기 때문에 S자 모양의 그래프를 볼 수있는데 실제로는 이론적인 그래프대로 나오지 않고 애매하게 그래프가 나온다. 이 오차원인을 생각해보면 시편을 polishing 하는 과정에서 시편에 스크래치가 난다.

공학/기술| 2024.02.09| 9페이지| 3,000원| 조회(325)

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신소재프로젝트2 금속 분극 A+ 예비레포트

REPORT금속(분극) 예비레포트1. 실험 목적전기화학적 분극 곡선 측정에 의해 금속의 부식 속도를 구하고 이 분극 곡선의 측정이 내식 재료를 선정, 개발하는데 어떻게 활용되는지 알아본다.2. 실험 이론- 전기화학적 부식금속의 부식 반응은 일종의 전기화학적 반응으로, 비의도적이고 파괴적인 반응이다. 이는 전자 e를 방출하는 산화 반응(또는 양극 반응)과 이 전자를 받아들이는 환원 반응(또는 음극 반응)이 짝지어질 때 일어난다. 보통 금속의 표면에서 일어나고, 산화 반응이 일어나는 자리를 양극(anode), 환원 반응이 일어나는 자리를 음극(cathode)이라 한다. 금속이 균일하게 부식될 때 금속 표면에는 수많은 양극과 음극이 분산되어 있으며 이 각각의 양극과 음극의 위치는 고정된 것이 아니라, 수시로 변한다. 전기화학적으로 산화가 일어나는 양극에서는 전자를 잃고 환원이 일어나는 음극에서는 각 금속 원자들로부터 방출되는 전자들이 이동되어 부착된다. 전반적인 전기화학적 반응은 적어도 하나의 산화(oxdiation)와 하나의 환원(reduction) 반응으로 구성되고, 그들의 합으로 나타낸다. 이 반응에서는 전기 저항의 순수한 축적이 일어나지 않기 때문에 총산화물과 총환원물은 같다. 따라서 이온과 원자는 주어진 값에 따라 산화 환원 반응을 일으켜 침전, 용해(부식)된다. 이러한 원리로 한쪽 금속은 양극으로 부식되며, 다른 쪽은 음극으로 작용하는 전해액 내에서 전기적으로 연결된 두 금속을 전지 결합(galvanic couple)이라 한다.- 금속 부식계에서 일어나는 산화, 환원 반응과 예산화반응: 물질이 산소와 만나는 반응, 수소를 빼앗는 반응, 이온으로부터 전자를 빼앗는 반응, 양전하를 증가시키는 반응 모두를 산화반응이라 할 수 있다. M = Mn+ + ne-환원반응; 앞서 말했던 산화반응의 역반응을 환원반응이라고 할 수 있다. 산소를 외부에 주는 반응, 수소가 가해지는 반응, 음전하를 증가시키는 반응 모두 환원 반응이다.산화, 환원 반응은 항상 동시에 일어나며 한쪽이 산화되면 한쪽은 환원된다. 예를 들어 구리 이온이 있는 용액에 아연 금속을 넣는다고 생각하면, 아연은 전자를 내어놓고 아연 이온으로 산화된다. 구리 이온은 아연 금속이 내놓은 전자를 얻어 구리 금속으로 환원된다. - Nernst 식E`=`E ^{0} - {RT} over {nF} lnQ#E:`전위#E ^{0} :`표준전위#n:`반응에`관여하는`전자`수#F:`패러데이`상수(Faraday`Constant)#R:`기체상수#T:`절대온도(K`=`T`+`273.2)#Q:`반응지수* Tafel plot이 기술은 부식속도를 이용, 부식전류(icorr)를 측정하는데 사용된다. tafel plot을 이용하여 직접적으로 icorr 값을 얻거나 icorr 값을 계산할 수 있는 RP값의 상수인 베타A와 베타C를 얻을 수 있다. 이 부식전위로부터 음극방향으로 분극하게 되면 곡선을 얻을 수 있다. 분극 곡선은 부식 전위보다 약 50mV정도 더 낮은 전위에서 직선이 된다. 이러한 직선 영역을 tafel 영역이라고 한다. 이 영역을 부식 전위 값으로 외삽시킴으로써 부식 속도를 결정할 수 있으며 전류 밀도로 표시한다 이를 식으로 나타낸 것이 tafel equation이다. tafel equation은 단일 전극에서 다음과 같이 나타난다.* Nernst식전기 화학 셀을 고려하면 산화 반응, 환원 반응이 전지의 반쪽에 각각 해당하고 이를 이유로 반쪽 전지 반응이라고 불리기도 한다. 두 반쪽 셀 사이에는 전기 전압이 형성되는데 이 전압값은 외부 회로에 전압계를 설치하여 측정할 수 있다. 여러 전극쌍은 다른 전압을 가지며 이 크기는 전기 화학적 산화, 환원 반응의 기전력(driving force)로 작용한다. 전압계를 통해 측정된 셀 전압들은 단지 전압차만을 나타내므로 반쪽 셀을 비교하기 위한 기준점을 잡는 것이 편리하다. 그 기준점이 바로 표준 수소 전극을 이용한 기전력 계열(electromotive force(emf) series)이다. 이는 반쪽 셀을 표준 수소 전극으로 통일시킨 서열로, 두 셀의 산화-환원 반응의 전체 셀 전위 또한 계산이 가능하다. 델타V=V2-V1. 재료과학 책 682p 식 참고. 이 반응이 자발적으로 일어나기 위해서는 델타V 값이 양수여야하고, 음수라면 식의 반대가 되어야할 것이다. 기전력 계열은 매우 이상적인 전기화학적 셀(25c에서 그 금속 ㅤㅣㅇ온들을 1M 포함한 용액에 설치된 순수한 금속)에서만 적용되며, 순수한 금속 대신 합금 전극을 사용하거나 온도, 용액의 농도를 바꾸는 것은 셀 전위에 영향을 줄뿐만 아니라, 경우에 따라, 자발적인 반응의 방향 또한 바뀌게 한다. 식(18.17) 이러한 반응이 평형 상태에 있다면 이 반응의 평형 전위는 Nernst 식에 의해 알 수 있다. 이 평형 전위는 앞에서 이야기했던 표준 수소 전극을 사용하여 측정할 수 있다. M1과 M2 전극이 순수한 금속이라면 셀 전위는 Nernst 식에 의해 절대온도 T와 몰 이온 농도에 의존한다. 자발적으로 반응이 일어나기 위해서는 델타V는 양수이어야 한다.반쪽 전지 반응의 반응 속도는 반응에 전자 e가 관련되어 있으므로 패러데이 법칙에 따라 전류 밀도로 표시할 수 있다. 반쪽 전지 반응이 평형 상태에 있을 때에는 부식률 = 산화반응속도 = 환옹반응속도 = io/nF 이다. n은 반응에 참여하는 전자의 개수, F는 패러데이 상수, io는 교환 전류밀도이다.* 양극분극에서는 일반적으로 농도 분극을 고려하지 않는다.부식이 발생할 때 양극과 음극 사이에 흐르는 전류로 인하여 전극 전위의 변화가 생긴다. 이렇게 각 전극 전위가 자신의 평형값으로부터 벗어나는 것을 전기화학적 분극이라하고, 이때 벗어나는 양을 과전압이라고 한다. 과전압은 보통 η 기호로 표시한다. 과전압은 평형 전위에 대하여 벗어난 만큼 전위차를 + 또는 = volt의 단위로 표현한다. 이는 부식 속도에 영향을 미친다. 분극 곡선 상의 임의의 점에서 양극과 음극 사이에 흐르는 전류 I는 다음과 같다. 여기서 R은 회로의 전기 저항, Ec’, Eo’는 각각 음극과 양극의 전위이다. 금속의 부식 반응이 평형에 도달하여 정상 상태로 되면 금속의 부식 전위는 Ecorr이 되고 음극과 양극면 사이의 부식 전류 밀도는 icorr이 된다. 부식 전위는 적당한 기준 전극을 사용하여 측정할 수 있다. 이 부식 전위를 앞서 말한 반쪽 전지 반응의 평형 전위와 혼동해서는 안된다. 전기 화학적 분극은 활성화 분극과 농도차 분극으로 구분된다. 만약 u+ 이온이 계면으로 이동하여 u로 환원된다면 다음과 같은 순서로 진행될 것이다. (1) u+ 이온이 계면으로 이동 (2) 계면으로 이동한 u+ 이온이 계면에서 전자를 만나 u로 환원. (1)에 해당하는 속도가 늦어 반응속도가 느려지는 경우를 농도분극이라하고, (2)에 의해 반응 속도가 느려지는 것을 활성화 분극이라 한다.* 활성화분극(Activation Polarization)반전지 반응이 금속의 표면과 용액의 계면에서 전하의 교환에 의해 압도적으로 많이 일어날 때, 이를 활성화 분극이라 한다. 활성화 분극은 일련의 과정르 거쳐 일어나느 반응에서 반응률이 가장 낮은 속도로 진행되는 단계에 의하여 조절되는 조건을 말한다. 초기에 금속이 부식되는 과정에서 금속이 이온화하여 떨어져나와 용액 속으로 용해되거나 또은 수용액에서 음극 반응을 하는 수소의 환원 과정에서 수소 기체의 생성 과정을 예로 들 수 있다. 활성화 분극에서 과전압 ηa와 전류밀도 I의 관계는 다음과 같다. ??ηx =φ - φeq = βx log ( ix / io ) …… ①? ?단, x = a일 때 ηa와 βa는 양수? ? x = c일 때 ηc와 βc는 음수?식 ①은 평형 전위보다 전위가 높아짐에 따라 금속의 산화반응(η가 양수) , 반대의 경우에는 환원반응(η가 음수)이 각각 발생함을 의미한다. 또한 식 ①에서 io, βx값은 주어진 환경에서 각 물질의 고유특성 값으로 io는 평형전위에서 반응평형속도를 의미하며, io이 증가함에 따라 부식속도의 증가를 의미한다. 또한 βx는 반응에 따르는 상수로서 tafel 상수이다. 위 관계식에 의하면, 과전압을 전류 밀도의 로그값에 대한 함수로 표현하면, 직선으로 표시된다. 그래프에서 +B 기울기를 가진 직선 부분은 산화 반쪽 반응에 대응되고, =B의 기울기를 가진 직선은 환원 반응에 대응된다. 그래프를 관찰하면 두 직선이 교환 전류밀도 io(H2/H+) 또는 과전압이 0인 점에서 시작되고 있는 것인데, 이것은 이 지점에서 계가 평형 상태를 유지하며 순수 반응(net reaction)이 일어나지 않기 때문이다.* 농도 분극(concentration polarization)과전압이 비교적 낮은 전위에서는 반응에 참여하는 이온들의 분포가 전극과의 거리에 관계없이 멀거나 가깝거나 균일하게 분포하므로 이온의 농도가 과전압에 직접적으로 영향을 미치지 않는다. 그러나 과전압이 증가하여 반응 속도가 빨라 지면 이온 확산 정도에 의해 전극과 거리에 따른 농도 구배가 생기고 과전압에 직접적인 영향을 끼친다. 이는 환원반응 쪽에서 많이 일어나며 환원되는 화학종의 농도가 금속/용액 경계면과 용액 자체 내에서 얼마나 차이가 있는가에 따라 분극도가 달라진다. 환원속도가 매우 빠른 극한의 경우 금속/용액 경계면에서 환원되는 화학종의 농도는 0이 되며 이때 환원반응속도는 용액에서 금속/용액 경계면으로 환원될 화학종이 확산하여가는 속도와 같아진다. 이 속도는 전류밀도로 환산할 수 있으며 이를 한계확산전류밀도 iL이라 부른다. 농도차 분극이 일어날 경우 전류와 전위사이의 관계식은 다음 식과 같다. ne는 농도차 분극량을 나타낸다.

공학/기술| 2024.02.09| 5페이지| 3,000원| 조회(282)

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신소재프로젝트2 세라믹 A+ 예비레포트

REPORT임피던스 측정 실험1. 실험목적재료를 모델링한 등가회로(특수한 전기소자나 기계적 출력을 갖는 회로소자 등을 근사적으로 등가한 저항, 용량, 임피던스 등의 조합으로 치환한 회로망)를 만들고 LCR 계측기를 통해 주파수에 따른 교류 임피던스의 양상을 측정하고 분석 할 수 있게 한다.2. 이론적 배경1) 재료의 임피던스그림 1과 같이 재료는 고유의 전기전도도(σ)와 유전율(ε)(외부 전기장을 유전체에 가하면 유전분극 현상이 일어나 가해진 외부 전기장에 반대방향으로 분극에 의한 전기장이 생긴다. 결과 유전체내 전기장 세기가 작아진다. 이때 작아진 비율)값을 갖고 있다. 여기에 넓이와 길이를 고려하면 물질의 저항(R)과 커패시턴스(C)(물체가 전하를 축적하는 능력을 나타내는 물리량)를 알 수 있다. 물질의 임피던스 정보는 이러한 전기적 특성을 포함한다. 임피던스 정보는 그림 1의 가운데 등가회로와 같은 구성을 통해 분석할 수 있다.그림 1 재료의 임피던스2) 임피던스란?교류 전압과 교류 전류를 통해 얻어지는 교류저항(Z)을 일컫는다. 복소평면에서 x, y 좌표로서 나타낼 수 있으며, 실수부(x축)는 직류 저항(R)과 같은 개념이고, 허수부(y축)는 리액턴스(X)로 칭한다. 그림3에서 임피던스는 주파수에 따라서 그 값이 달라지며, 이러한 주파수 의존성을 모니터하고 해석하는 연구를 임피던스 분광법(분광계나 분광기 등을 사용하여 물질이 방출 또는 흡수하는 빛의 스펙트럼을 측정하여 그것으로 물질의 정성, 정량 분석과 상태 분석을 하는 방법)이라고 한다.그림 2 그림 53) 전기회로성분(R,C,L)의 임피던스는 어떻게 나타내나?교류회로 이론에 의해서 R, C, L 전기회로 성분의 임피던스는 다음과 같이 나타낼 수 있다.1) 저항성분/저항 : RZ _{R} `=` {tilde{v`} _{R} (t)} over {tilde{i} _{R} (t)} `=`R2) 커패시터/커패시턴스 또는 유전용량 : CZ _{C} `=` {1} over {jwC} `=` {1} over {wC} e ^{j(- {pi } over {2} )}커패시터는 회로에서 무슨역할을 하는가? 커패시터는 전자회로에서 전기를 일시적으로 저장하는 역할(전압의 급격한 변화를 막는다)3) 인덕터/인덕턴스 : L (전류의 변화량에 비례해 전압을 유도하는 코일)Z _{L} `=`jwL`=`wLe ^{j {pi } over {2}}*j= sqrt {-1} 이고w=2 pi f 는 각주파수R, C의 임피던스를 통해 RC병렬회로의 전체 임피던스(Z)는 다음과 같은 복소수 형태의 식으로 표현할 수 있다. 주파수(f)에 따라서 각주파Z ^{*} = {1} over {{1} over {R} +jwC} = {R} over {1+(wRC) ^{2}} -j {wR ^{2} C} over {1+(wRC) ^{2}}복소수 임피던스(Z*)의 실수부(Z´)와 허수부(Z˝)의 주파수에 따른 궤적을 복소평면에 나타내면 그림 4와 같은 반원 모양의 스펙트럼을 얻게 된다. 주파수라면 위아래나 양옆으로 왔다갔다하는 특성이 있어 값이 커졌다 작아졌다 할텐데 결과값에서 어떻게 규칙적인 반원의 모습이 나오는지 잘 모르겠다. 반원의 지름(R)과 최고점에 해당하는 주파수w _{CIRC }로부터 물질의 커패시턴스(C)를 구할 수 있다. 이 값을 이용하여 형상계수를 고려하면 재료의 전기전도도(σ)와 유전율(ε)과 같은 중요한 물질상수를 구할 수 있다.그림 63. 실험방법1) 실험재료 및 장비1) 100kΩ, 150kΩ, 200kΩ 저항2) 100pF, 100pF, 0.01μF 커패시터(콘덴서)3) 상온에서 4192A 로 벌크 임피던스 측정 가능한 샘플: LLZ3) HP4192A 임피던스 분석기

공학/기술| 2024.02.09| 4페이지| 3,000원| 조회(246)

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