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일반 물리학 실험 헬름홀츠코일

Helmholtz coil1. 실험목적 및 배경이론이 실험은 한 쌍의 헬름홀츠 코일에서 전류에 의해 발생되는 자기장을 조사하고, 코일간의 자기장 세기를 측정하며, 이론적 수치와 측정된 값을 비교하는 것이다. 코일간의 자기장 세기는 헬름홀츠 코일간의 떨어진 거리와 어떠한 관계가 있는지를 알아본다.이 실험의 배경이 되는 이론으로는 다음과 같다.1) 헬름홀츠 코일헬름홀츠 코일(독일어: Helmholtz-Spule)은 거의 균일한 자기장을 발생시키기 위한 장치이다. 독일 물리학자 헤르만 폰 헬름홀츠의 이름을 따서 명명되었다.헬름홀츠 코일을 두 개의 동일한 원형 코일로 이루어져 있다. 두 코일은 실험 영역을 사이에 두고 중심축을 공유하며 서로 나란하게 위치해 있다. 이때 두 코일 사이의 거리 h는 코일의 반경 R과 같으며 각각의 코일에는 동일한 세기의 전류가 동일한 방향으로 흐른다.즉, 2개의 동축 코일을 그 반경만큼 서로 떨어뜨려 위치시킴으로써 그 사이의 자기장을 거의 일정하게 만든 것. 이 때 두 코일 사이의 자기장이 정확히 계산되므로 자력계의 보정 및 자기장 측정시의 영점보정 등에 사용된다.이 때 두 코일의 중간 지점에서 축을 따라 놓인 자기장은 다음과 같다.B= {8 mu _{0} N`I} over {sqrt {125} R}mu _{0} =4 pi TIMES 10 ^{-7} T BULLET m/A=1.257 TIMES 10 ^{-6} T BULLET m/AI = 코일 하나에서의 전류R = 코일의 반지름N = 하나의 코일에 감긴 횟수2. 실험내용1) 하나의 코일에서 거리에 따른 자기장 그래프첫 번째 실험은 코일을 하나만 놓고 실험한 것이다. 여기서 최고점을 찍은 곳이 코일 내부를 통과하는 지점이며 좌우 대칭으로 코일에서 멀어질수록 자기장은 약해지고 코일에 가까울수록 자기장은 높아지는 것을 알 수 있다.2) 두 코일 사이의 거리가 0.5R일 때의 그래프두 번째 그래프는 코일 간의 간격을 코일의 반지름인 10cm의 절반인 5cm로 두고 실험한 결과 그래프이다. 헬름홀츠의 코일은 두 코일 사이의 자기장을 일정하게 만드는 것인 데 간격을 0.5R로 두게 되면 일정한 자기장이 나오지 않게 되고 하나의 코일을 두고 실험한 그래프랑 비슷하게 나오게 된다.3) 두 코일 사이의 거리가 R일 때의 그래프3번 째 그래프는 코일의 간격을 반지름인 R만큼 두고 실험한 그래프이다. 원래는 두 코일 사이에서의 자기장은 일정한 크기를 나타내어야하지만 이 실험 결과표에서는 약간의 형태만 나타나며 일정하다는 것을 알 수가 없다. 아마 실험 시 우리가 일정한 속도로 측정해야했는데 그 속도를 조절하지 못하여 이러한 결과 값이 나온 것 같다. 원래는 약 250부분에서 일자모양으로 나왔어야 했다.옆의 그림을 보면 헬름홀츠의 간격에 따른 자기장의 세기를 잘 볼 수 있다. R에서는 일정한 자기장이 나타나는 것을 볼 수 있다.4) 두 코일 사이의 거리가 2R일 때의 그래프이번에는 두 코일의 간격을 2R만큼 두고 실험하였다. 간격이 2R이다 보니 두 코일 사이의 자기장은 일정하지 않다. 2개의 곡선이 나타나며 첫 번째 곡선은 첫 번째 코일을 지나갈 때의 자기장의 크기이며 코일에서 멀어질수록 자기장의 세기가 약해지다가 두 번째 코일을 지나갈 때 다시 자기장의 세기가 증가하며 그 코일을 지나가면 다시 자기장이 약해진다. 두 코일을 지나갈 때의 자기장은 약 180으로 두 코일에서의 자기장은 일정한 것을 알 수 있다.5) 두 코일 사이의 거리가 R이고 전류가 반대인 그래프이 실험은 코일의 간격을 R만큼 두지만 전류의 방향을 서로 반대로 두고 한 실험이다. 첫 번째 코일의 전류가 반대이다 보니 자기장의 방향 역시 반대이므로 (-)로 나타나며 두 번째 코일에서는 다시 원래대로 (+)로 나타나게 된다. 자기장의 크기는 각각의 코일을 지나갈 때 동일하게 나타난다. 이 그래프에서는 제대로 0점이 맞춰지지 않아 다른 것처럼 보이지만 0으로 수직 이동시켜서 비교해보면 약 180으로 동일한 것을 알 수 있다.3. 질문과 답변1) 전류가 흐르는 코일 주변에 만들어진 자기장의 세기는 코일의 전류에 어떻게 의존할까?답:B= {8 mu _{0} N`I} over {sqrt {125} R}이 식에서 볼 수 있듯이 자기장의 세기는 I에 비례하는 것을 알 수 있다. 즉 서로 비례관계이다.2) 하나의 Helmholtz 형 코일에 전류가 흐를 때 코일 중심축 방향으로 거리가 멀어질 때 자기장의 세기는 어떻게 변화하는가?

공학/기술| 2015.11.12| 6페이지| 1,000원| 조회(1,202)

일반물리, 헬름홀츠, 헬름홀츠 코일

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일반 물리학 실험 자기장변화에 따른 전자유도

자기장 변화에 의한 전자유도1. 실험목적 및 배경이론이 실험은 전기가 전선을 통해 흐를 때 그 전선 근처에서는 자기장이 탐지될 수 있다. 하지만 이번 실험은 그 반대로 코일의 중심을 통과해서 떨어지는 자석에 의해 코일에 유도되는 기전력(EMF)을 측정하고, 반대로 자석을 고정시키고 코일을 움직여 주는 경우의 기전력을 측정하는 것이 실험의 목표이다.이 실험의 배경이 되는 이론으로는 다음과 같다.1) 전자기유도전류가 자기장을 형성한다는 사실이 알려지고 나서 자기장을 이용해 전류를 만들 수 있지 않을까 하는 의문이 자연스럽게 생겼다. 패러데이와 헨리는 각각 전선 코일 속에 자석을 넣었다 뺐다 하는 단순한 운동으로 전선 속에 전류가 흐른다는 사실을 발견하였다. 이때 기전력을 만드는 것은 코일에 대한 자석의 상대적인 운동에 의한 자기장의 변화이다. 자석이 도체 주위를 움직이거나 도체가 자석 주위를 움직이는 두 가지 경우 모두 전선에 기전력이 유도되며 도선에 유도전류가 흐른다.도선에 흐르는 전류의 크기는 코일에 감긴 전선의 수와 코일을 통과하는 자기장의 시간당 변화율에 비례한다.이처럼 전자기유도에 의해 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를 관통하는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례하며, 이 관계를 나타낸 것을 패러데이의 법칙이라고 한다.2) 패러데이의 법칙영국의 화학자이자 물리학자인 패러데이가 발견한 전자기 유도 법칙이다. 유도기전력의 크기는 코일을 관통하는 자속(자기력선속)의 시간적 변화율과 코일의 감은 횟수에 비례한다. 기전력의 방향을 정하는 렌츠의 법칙과 함께 전자기유도가 일어나는 방식을 나타낸다.자속 밀도는 단위 면적을 지나는 자기력선의 수로 정의된다. 여기서 코일을 지나는 자기력선의 수는 B×A로 나타낼 수 있다. 이때 A는 코일이 둘러싸고 있는 면적이다. 이 값을 자속이라고 하고 Ф로 나타낸다.PHI=BA (단위 : ㏝)코일 면을 지나는 자속은 면에 수직한 자속 밀도와 면적의 곱이다. 코일 면의 법선과 자기장이 이루는 각이 θ라면 자속은PHI =BAcos theta이다. 이 모형을 이용하여 유도 기전력의 방향을 찾을 때에는 자속의 방향도 고려하여야 한다. 유도 기전력의 크기는 도선의 감은 수와 자속의 시간 변화율에 비례한다.E=-N {d PHI } over {dt}N=코일의 감은 수3) 렌츠의 법칙유도 기전력의 방향은 코일 면을 통과하는 자속의 변화를 방해하는 방향으로 나타난다. 즉, 유도 전류에 의한 자기장은 자속의 변화를 방해하는 방향이 된다. 이것을 렌츠의 법칙이라고 한다. 렌츠의 법칙은 에너지 보존 법칙의 한 예이다. 만일 그림에서 코일의 위쪽에 S극이 유도된다면 자석은 저절로 가속되어 역학적 에너지가 증가하는 동시에 코일에는 유도 전류에 의한 전기 에너지가 생길 것이다. 이것은 에너지 보존 법칙에 위배되는 경우이다. 따라서 이와 같은 일이 일어날 수 없으므로 렌츠의 법칙과 같이 위쪽에 N극이 유도된다.2. 실험내용1) 코일을 통과하는 자석(코일에 들어갈 시)첫 번째 실험은 자석을 떨어트려 떨어지는 자석에 의해 코일에 유도되는 기전력을 알아보기 위한 실험이다. 이 결과 값에서 첫 번째 그림은 자석이 코일에 접근할 때의 그래프 모양이며 x축은 시간, y축은 기전력을 나타낸다. 자석의 n극이 가까워짐에 따라 코일에서는 자석을 밀어내기 위해 위쪽에 n극이 발생하며 자석을 밀어내는 자기선속이 발생한다. 여기서 오른손 법칙을 이룡하면 전류의 방향은 반시계방향이다. 여기에서 면적은 자기선속의 양이며 이를 미분하게 되면 자기선속의 변화율이 된다.E=-N {d PHI } over {dt}이 식에서 약간의 변형을 하게 되면 dtE=-Nd PHI 이 식이 만들어 지는데 여기서 코일의 감은 수는 똑같으니까 N을 제외하면 dtE=-d PHI 가 된다. 코일에서 만들어지는 자기선속이 동일한 지는 2번째 그래프를 보면 이해가 된다.2) 코일을 통과하는 자석(코일에서 나갈 시)두 번째 그래프는 자석이 코일을 통과하여 멀어질 때의 그래프이다. 첫 번째 그래프랑 비교해볼 때 시간은 짧아지고 기전력 값이 더 높은 것을 알 수 있다. 이는 자석을 위에서 아래로 떨어뜨렸기 때문에 중력이 작용하여 자석이 낙하할 시 가속도가 붙기 때문이다. 하지만 면적 즉 자기선속의 밀도는 첫 번째 그래프랑 동일한 것을 알 수 있는데 이는 dtE=-d PHI 이 식에서 t가 작아진 만큼, E가 커졌기 때문이다. 여기서 또 첫 번째 그래프랑 부호가 반대인데 이는 코일에서 멀어짐에 따라 자석을 끌어당기기 위해 아래쪽에 n극이 발생하여 전류의 방향은 시계방향이기 때문이다.3) 코일을 흔들 시이 실험은 자석을 떨어뜨리는 것과는 달리 코일을 움직여서 기전력을 유도하는 실험이다.첫 번째 그래프는 코일의 속도이며 두 번째는 코일의 위치 세 번째는 기전력이다. 이 실험에서 알 수 있는 것은 코일의 속도가 최대가 되는 지점은 바로 자석을 통과할 때이다. 그렇기 때문에 속도가 최대이면 코일의 위치는 0이 된다. 바로 이 0인 지점에서 기전력이 발생하게 된다. 이는 위의 그래프에서 보면 나타난다. 속도가 0인 지점은 진자운동이 최대인 지점이므로 위치값이 가장 높게 잡히고 자석에서 멀어지기 때문에 기전력은 측정되지 않는다.3. 질문과 답변1) 자석이 코일을 통과하여 낙하할 때 시간에 대한 측전전압 곡선의 면적이 나타내는 의미 는 무엇인가?답: PHI=BA곡선의 면적은 유입, 유출되는 자기선속의 양이라고 볼 수 있다. 이를 시간에 미분하면 자기선속의 변화율이 되고 패러데이 법칙에 의해 유도기전력과 비례한다는 것을 알 수 있다. 따라서 자기선속의 양은 자기장이 형성되는 양이라고 볼 수 있다.

공학/기술| 2015.11.12| 6페이지| 1,000원| 조회(338)

자기장, 일반물리, 전자유도

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일반 물리학 실험 자기장

자 기 장1. 실험목적 및 배경이론이 실험은 전류에 의해 발생되는 자기장에 대하여 알아보고, 자기장의 방향과 솔레노이드 코일에서의 자기장, Helmholtz coil의 자기장에 대하여 알아보는 것이다.이 실험의 배경이 되는 이론으로는 다음과 같다.1) 자기장자석이나 전류 또는 시간에 따라 변화하는 전기장에 의해 그 주위에 자기력이 작용하는 공간을 만든다. 그 공간을 자기장이라고 한다. 자기장은 운동하는 전하에 영향을 미치며, 운동하는 전하는 자기장을 발생시킬 수 있다.자기장은 크기와 방향을 갖는 벡터량으로 그 크기는 자기장H(자계강도) 또는 자기장B(자속밀도)로 나타낸다. 자기장 H는 자기장이 있는 공간의 자기적 특성을 생각하지 않는 양이며, 자기장 B는 자기적 특성을 생각한 양으로 자기력을 계산할 때 직접 사용되는 양이다. 자기장 H와 자기장 B는 B=μH의 관계가 있다. μ는 자기장이 놓여진 공간의 자기적 특성인 자기투자율이다.자기장의 방향은 자기장 내에 있는 나침반 자침의 N극이 받는 힘의 방향이다. 자기장은 자기력선으로 표현할 수 있는데, 자기장 내의 나침반 자침의 N극이 가리키는 방향을 따라 이동하면 하나의 곡선이 그려진다. 이 선을 자기력선이라고 하며, 자기력선의 방향은 N극에서 나와 S극을 향하고, 닫힌곡선이다. 자기력선은 도중에 끊어지거나 서로 엇갈리지 않으며, 자기력 선 위의 한 점에서의 접선의 방향이 그 점에서의 자기장의 방향이다.자기력선의 밀도는 자기장의 세기를 나타낸다. 자기력선의 간격이 촘촘할수록 자기장의 세기가 세다. 자석의 양쪽 자극에서 자기력선의 밀도가 높고, 자극으로부터 점차 멀어지면 자기력선의 밀도가 낮다. 흰 종이 아래 자석을 놓고, 종이 위에 쇳가루를 뿌리면 자기력선을 간접적으로 볼 수 있다.2) 오른나사의 법칙전류가 흐르는 도선 주위에 형성되는 자기장의 방향과 이때의 전류 방향은 서로 평행한 방향을 가리킬 수 없다. 만일 전류가 직선으로 흐르면 자기장은 그 주변에 원형으로 생긴다. 이 두 방향 사이에는 오른나사의 회전방향과 진행방향 사이의 관계와 동일한 관계가 있다. 흐르는 직선 전류의 방향을 오른나사의 진행방향에 대응시켰을 때, 주변에 형성되는 자기장의 방향은 이때의 오른나사의 회전방향에 대응된다. 이러한 대응 관계를 오른나사의 법칙이라고 한다.또는 오른손법칙이라고 하는데 오른손 엄지가 전류의 방향을 가리키도록 하면 나머지 손가락으로 도선을 감싸듯이 쥐는 것처럼 돌아가는 방향의 원형 자기장이 형성된다. 즉, 엄지손가락의 방향은 오른나사의 진행방향에, 나머지 감싼 손가락의 방향은 오른나사의 회전방향에 대응된다.3) 솔레노이드 코일외르스테드(Hans Christian Oersted)는 실험을 통해 전류가 흐르는 도선 주위에 자기장이 형성됨을 밝혔다. 도선을 나선형으로 촘촘하고 균일하게 원통형으로 길게 감아 만들어서 전류를 흘리면 원통의 외부에서는 자기장이 거의 0이고 내부에는 비교적 균일한 크기의 자기장이 형성된다. 이때 내부자기장의 크기는 전류의 크기에 비례하고 단위 길이당 감은 수에 비례한다.전기에너지를 자기에너지로 바꾸므로 에너지변환장치라 할 수 있고, 전류의 세기를 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수 있는 전자석이 될 수 있다.4) Helmholtz coil헬름홀츠 코일은 각각 같은 반지름, R을 가지는 한 쌍의 코일이다. 두 코일은 보통 거리 R만큼 떨어져서 같은 축 상에 서로 평행하게 놓인다.두 코일의 중간 지점에서 축을 따라 놓인 자기장은 다음과 같이 주어진다.B= {8 mu _{0} N`I} over {sqrt {125} R}여기서mu _{0} == 4 pi TIMES 10 ^{-7} T BULLET m/A, I는 코일 하나에서의 전류, R은 코일의 반지름, 그리고 N은 하나의 코일에서 감긴 횟수이다.5) 암페어 법칙임의의 폐곡선을 지나는 자기장을 모두 합하면, 그 폐곡선으로 둘러싸인 공간 안의 알짜전류에 비례한다.2. 실험내용1) 양전하와 음전하 사이에서의 자기장이 실험에서 음전하의 자기장 방향은 오른손 법칙을 이용해 시계반대방향으로 돌아가고 양전하의 자기장 방향은 오른손 법칙을 이용해 시계 방향으로 돌아간다. 여기서 자기력선의 밀도는 자기장의 세기를 나타내는데 양전하와 음전하 사이에서의 자기장의 방향은 같기 때문에 자기장의 세기가 세므로 자기력선의 밀도가 높은 것을 볼 수 있다.2) 솔레노이드 코일이 실험은 음전하와 양전하로 솔레노이드 코일을 만들어 본 것이다. 마찬 가지로 오른손의 법칙을 이용하면 자기장의 방향은 음전하에서는 왼쪽에서 오른쪽으로, 양전하에서도 마찬가지로 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다. 이 솔레노이드 코일은 임의로 만든 자석이라 할 수 있는데 자기장의 방향이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하고 다시 왼쪽으로 들어가게 된다. 이는 흡사 자석에서 자기장이 N극에서 나와 S극으로 들어가는 모양과 같다. 그러므로 여기서 왼쪽은 자석의 S극과 같고 오른쪽은 N극과 같다. 이 실험에서도 코일 내부에서는 양전하와 음전하의 자기장의 방향이 같기 때문에 자기장의 세기가 크므로 밀도가 높은 것을 알 수 있다.3) 헬름홀츠 코일헬름홀츠 코일 (L=2R)헬름홀츠 코일 (L=R) 전하 변화헬름홀츠 코일 (L=R)헬름홀츠 코일 실험에서 알아볼 것은B= {8 mu _{0} N`I} over {sqrt {125} R}의 증명이다. 여기서 R은 코일의 반지름인 데, L=2R일 때 보다 L=R일 때 코일 안쪽의 자기장의 세기가 세다는 것이다. 하지만 실험을 잘 못하여 결과 값에서는 L=R일 때 자기장의 세기가 세다는 것을 눈으로 구분할 수 없다. 보고서를 쓰게 되면서 알게 되었고 급하게 하다 보니 실험을 제대로 하지 못하였다. 그리고 전하의 위치를 바꾸게 되면 네 개의 전하 사이에서의 중간 지점에서는 자기장이 상쇄되어 버린다.4) 암페어 법칙암페어 법칙은 가우스 법칙과 비슷하다. 임의의 폐곡선을 지나는 자기장을 합하면 그 폐곡선으로 둘러싸인 공간 안의 알짜전류에 비례한다는 법칙이다. 그렇기 때문에 양전하 1개를 두고 폐곡선을 그려보면 1A로 나오게 된다. 여기서 ?와 +부호의 차이는 자기장의 방향으로 자기장의 방향으로 돌리면 +, 자기장 반대 방향으로 돌리면 ?가 나오게 된다.

공학/기술| 2015.11.12| 6페이지| 1,000원| 조회(188)

자기장, 일반물리, 전자유도

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일반 물리학 실험 옴의 법칙

옴의 법칙1. 실험목적 및 배경이론이 실험은 전기회로에서 100Ω과 330Ω을 직렬연결과 병렬연결을 통해 옴의 법칙을 이해하는 데에 목적을 두고 있다.이 실험의 배경이 되는 이론으로는 다음과 같다.1) 전류물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이 전하는 전기적인 위치에너지가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 물이 흐르는 이유가 중력 때문이라면 전류는 기전력(起電力)이라는 힘에 의해 흐른다. 전류가 흐르는 길을 전기회로라 하며, 이는 물이 흐르는 수로(水路)에 대응된다. 그리고 전류에 의하여 에너지를 공급받는 장치를 부하(負荷)라 하고, 이것은 물에 의해 돌게 되는 물레방아에 대응된다.전류의 크기를 나타내는 단위는 A(암페어)이다. 1A는 도선의 임의의 단면적을 1초 동안 1C(쿨롬)의 전하가 통과할 때의 크기다. 전류의 방향은 정전하(정지한 전하, 양전하)의 이동방향을 양(+)의 방향으로 정한다. 그러나 실제로 도선 안에서는 전류의 반대방향으로 자유전자가 이동한다. 1A의 전류가 흐르는 도선에는 1초에 약 6.25×1018개의 자유전자가 단면적을 통과한다. 전류의 종류에는 그 크기 및 방향이 변하지 않는 직류(直流)와 크기와 방향이 주기적으로 변하는 교류(交流)가 있다.2) 전압물이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르는 것처럼 전하는 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 이때 전위의 차이가 전압이다. 낮은 곳보다 높은 곳에서 떨어지는 물이 더 많은 에너지를 갖고 있듯이, 전압이 클수록(전위차가 클수록) 더 많은 전기에너지를 갖고 있다. 그리고 높이 차이가 없으면 물이 흐르지 않듯이 전압이 0이라면 전류가 흐르지 않는다.전압의 크기를 나타내는 단위는 V(볼트)다. 1V는 1C(쿨롱)의 전하가 두 점 사이에서 이동하였을 때에 하는 일이 1J(줄)일 때의 전위차이다.3) 저항물체에 전류가 통과하기 어려운 정도를 나타내는 수치.물체가 움직일 때 이동방향의 반대방향으로 이동을 방해하는 저항이 있을 수 있다. 예를 들어, 비행기가 날아갈 때는 반대방향으로 공기저항이 작용한다. 저항은 움직임을 방해하는데, 물체뿐만 아니라 열이나 전기의 이동에서도 저항이 존재한다. 전기의 흐름에 대한 저항을 전기저항이라 한다. 따라서 전기저항이 크면 전류가 잘 통하지 않고 전기전도율이 낮다.전기저항의 크기를 나타내는 단위는 Ω(옴)이다. 1Ω은 1V(볼트)의 전압으로 1A(암페어)의 전류가 흐를 때의 저항이다.4) 옴의 법칙전류의 세기는 두 점 사이의 전위차(電位差)에 비례하고, 전기저항에 반비례한다는 법칙.1826년 독일의 물리학자 G. S. Ohm(옴)이 발견했다. 옴의 법칙은 전기회로 내의 전류, 전압, 저항 사이의 관계를 나타내는 매우 중요한 법칙이다.전압의 크기를 V, 전류의 세기를 I, 전기저항을 R이라 할 때, V=IR의 관계가 성립한다.여러 개의 부하가 직렬로 연결된 직렬회로에서는 저항을 통과하는 전류가 같다. 그러므로 각각의 부하에 걸리는 전압이 전기저항에 비례한다. 병렬회로에서는 부하에 걸리는 전압이 같으므로, 각각의 부하에 흐르는 전류가 전기저항에 반비례한다. 예를 들어, 직렬회로에 흐르는 전류가 10A라면 5Ω의 저항의 양 끝에 걸린 전압은 50V다. 10Ω의 저항에는 100V의 전압이 걸린다. 병렬회로에서 전압이 100V라면, 10Ω의 저항에 흐르는 전류는 10A고, 20Ω의 저항에는 5A의 전류가 통과한다.5) 직렬 연결그림과 같이 3개의 저항 R1, R2, R3가 직렬 연결된 회로에서 ㉠ 저항에 흐르는 전류의 세기는 모두 같다. ㉡ 각 저항의 전위차 V1=IR1, V2=IR2, V3=IR3이다. 3개의 저항의 전체 전위차는 다음과 같다.V=V1+V2+V3=I(R1+R2+R3)R=R1+R2+R3V1 : V2 : V3=R1 : R2 : R36) 병렬 연결그림과 같이 3개의 저항이 병렬로 연결되었을 때에는 전류가 흐르는 길이 많아진다. 따라서 합성 저항은 제일 작은 저항값보다 작을 것이 기대된다. ㉠ 병렬 연결 회로에서 각 저항의 전위차는 모두 같다. ㉡ 각 저항의 전류는 이다.회로의 전체 전류는2. 실험내용1) 100Ω 단일 저항여기서 I=0.02 V=1.973이다. 옴의 법칙을 이용해 저항을 구해보면 98.65Ω이 나오게 된다. 이것은 실제 100Ω과 비교해보면 약 1.5%의 오차가 난다.2) 330Ω 단일 저항여기서 I=0.006 V=2.022이다. 옴의 법칙을 이용해 구한 저항값은 337Ω이다. 이것은 330Ω와 비교해 봤을 때 2.12%의 오차가 나며 이것은 저항의 허용범위 안이다.3) 100Ω과 330Ω의 직렬연결ⓐ 전체 전압과 출력전류 곡선I=0.005, V=2.010ⓑ 100Ω 저항의 양단 전압과 출력전류 곡선ⓒ 330Ω 저항의 양단 전압과 출력전류 곡선I=0.005, V=0.460I=0.005, V=1.550V=V1+V2+V3=I(R1+R2+R3)R=R1+R2+R3V1 : V2 : V3=R1 : R2 : R3직렬연결의 공식 중 각 저항의 걸리는 전류는 동일하다고 했는데 실제 실험결과에서도 0.005로 동일한 것을 알 수 있다. 전체 전압은 각 저항에 걸리는 전압을 더한 값과 같은 것도 100Ω걸리는 전압 0.460과 330Ω에 걸리는 전압 1.550을 더하면 2.010으로 전체 전압과 동일하다. 여기서 100Ω 걸리는 실제 저항은 92Ω이고 330Ω에 걸리는 실제 저항은 310Ω이다. 전체 저항은 각 저항을 더한 값과 같은데 92+310=402로 전체 전압과 전체 전류를 통해 구한 저항값 402Ω와 동일한 것을 알 수 있다. 이 실험을 통해 직렬연결의 공식이 증명되었다.4) 100Ω과 330Ω의 병렬연결여기서 전체I=0.005 전체V=0.415이다. 이를 통해 전체 저항 83Ω을 구할 수 있다. 병렬연결 시 저항을 구하는 공식은 이므로 이를 통해 각 저항 100Ω과 330Ω의 병렬 공식을 이용하면 합성저항은 76.7Ω가 나오게 된다. 오차는 8.21%가 나며 좀 크게 오차가 생겨났다. 아마 실험을 잘 못 했던 것 같은데 급하게 하느라 이런 결과값이 나오지 않았나 생각이 든다.5) 330Ω의 병렬연결 + 100Ω 직렬연결ⓐ 전체 전압과 출력전류 곡선I=0.005, V=1.344ⓑ 100Ω저항의 양단 전압과 출력전류 곡선I=0.005, V=0.460330Ω 두 개는 병렬 연결하였고 여기에 100Ω을 직렬 연결한 모양이다. 여기서 전체 전류는 0.005 전체 전압은 1.344 그러므로 전제 저항값은 268.8Ω이다. 100Ω에 걸리는 전류는 0.005 전압은 0.460 그러므로 여기에 걸리는 저항은 92Ω이다. 330Ω은 두 개를 병렬 연결 하였기 때문에 여기에 걸리는 전압 값은 1.344-0.46=0.884V가 각 저항에 걸린다. 병렬 연결한 곳에 걸리는 전체 전류는 0.005가 걸리게 되고 이것을 통해 전체 저항은 176.8Ω을 구할 수 있다. 176.8+92=268.8이므로 공식은 성립한다 볼 수 있다.

공학/기술| 2015.11.12| 7페이지| 1,000원| 조회(356)

일반물리, 옴의법칙, 전기회로, 직렬연결, 병렬연결, 100Ω과 330Ω

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일반 물리학 실험 다이오드

다이오드 실험1. 실험목적 및 배경이론이 실험은 다이오드에 관하여 알아보고 그 특성이 무엇인지에 대하여 알아보는 데에 목적이 있다.이 실험의 배경이론으로는 다음과 같다.1) p형 반도체순도가 높은 4가의 Ge(게르마늄)이나 Si(실리콘)의 결정에 3가의 In(인듐)이나 Ga(갈륨)을 극미량 넣으면 8개의 전자가 서로 공유 결합하여야 되는데 하나가 부족한 곳이 생긴다. 이와 같은 곳을 정공(hole)이라고 한다. 이때 이 홀을 이웃한 전자들이 자꾸 메움으로써 회로에 전류가 흐른다. 홀은 음(-)전하를 띤 전자가 하나 모자란 상태이므로 양(+)전하로 볼 수 있다. 이 홀이 전하의 운반체 역할을 하는 반도체를 P형 반도체라고 한다.2) n형 반도체4가의 Ge(게르마늄)이나 Si(실리콘) 등의 원자에 5가의 As(비소)나 Sb(안티몬)을 극히 소량을 섞으면 다음 그림과 같이 5개의 외각 전자 중 4개는 Ge, Si의 가전자와 공유 결합을 하고 남은 전자 1개는 자유 전자가 된다. 이 자유 전자가 결정 안을 자유롭게 돌아다니면서 전하의 운반체 역할을 한다. 전하의 운반체가 음(-)전하를 띤 전자인 반도체를 N형 반도체라고 한다.3) 다이오드P형과 N형의 두 반도체를 접속시킨 2단자의 반도체 소자를 말하며, 정류작용(한 방향에만 전류를 통하는 작용)을 갖는다.예를 들면, 4개의 가전자를 갖는 게르마늄에 5개의 가전자를 갖는 비소를 약간(백만분의 일 정도) 혼합하여 결정시키면 비소는 게르마늄의 결정격자의 한 면으로 수용되어 전자는 잉여상태가 된다. 이처럼 여분의 전자를 갖는 반도체를 N형(negative) 반도체라 한다.마찬가지로 3개의 가전자를 갖는 갈륨을 게르마늄에 혼합해서 결정시키면 전자가 부족한 점(정공)이 잉여상태가 되며, 이와 같은 반도체를 P형(positive) 반도체라 한다. 이 경우 비소는 전기의 운반자(캐리어)인 전자를 공급한다는 의미로 도너(donor: 공급자), 갈륨은 캐리어를 받아들인다는 의미에서 억셉터(acceptor): 수입자)라 한다.이 P형과 N형 반도체를 접합시켜 외부에서 전압을 가하면 P형에 플러스의 전압을 가했을 때(순방향)만 N형의 잉여전자는 P형 쪽으로 이동하고, P형의 정공도 N형 쪽으로 이동하게 되어 전류가 흐른다. 이처럼 PN접합을 갖는 반도체에 2개의 단말을 붙이면 한 방향의 전류만을 흘리는 것(정류)이 가능하며, 이 작용을 하는 반도체 소자를 다이오드라 한다.다이오드는 본래의 정류용으로 사용되는 외에 역전압을 걸었을 때의 특성도 이용되고 있다.(1) 역전압을 걸었을 때는 전류가 흐르지 않으므로 다이오드의 전극에 전하가 저장되므로 콘덴서로도 사용된다(가변용량 다이오드).(2) 강한 역전압을 가하면 어떤 전압에서 급격히 대량의 전류가 흐르게 된다(항복작용). 즉 매우 넓은 전류범위에서 전압을 일정하게 유지할 수 있기 때문에 정전압 소자로 사용할 수가 있다(정전압 다이오드).순방향 전압역방향 전압2. 실험내용다이오드&1kΩ저항기LED다이오드항 목2mA에서의 전압(V)다이오드&1kΩ저항기0.630적색 LED1.841노란색 LED1.865녹색 LED1.914실험결과 다이오드에서 2mA에서의 전압 즉 turn-on 전압이 가장 낮았고, 발광다이오드에서는 적색, 노란색, 녹색, 순으로 전압이 낮았다. 다이오드 실험 그래프를 봤을 때 일정 전압까지는 전류의 변화가 없다가 어느 전압을 넘어서게 되면 전류가 흐르는 것을 알 수 있다. 그 전류가 흐르는 시점의 전압을 문턱전압 또는 전위장벽이라 한다. 즉 문턱전압을 넘어서야지만 다이오드가 작동을 한다는 것이다. 그리고 다이오드마다 문턱전압이 각각 다르다는 것을 실험을 통해 알 수 있다. 이번 실험을 통해 다이오드가 무엇인지에 알게 되었고 각 종 용어에 대하여 공부할 수 있는 계기가 되었다.3. 질문&답변1) 반도체의 전기적 특성에 대하여 설명하라답: 전기전도도에 따른 물질의 분류 가운데 하나로 도체와 부도체의 중간영역에 속한다.반도체는 순수한 상태에서 부도체와 비슷한 특성을 보이지만 불순물의 첨가에 의해 전기전도도가 늘어나기도 하고 빛이나 열에너지에 의해 일시적으로 전기전도성을 갖기도 한다.2) p형 및 n형 반도체의 차이를 설명하라답:p형 반도체순도가 높은 4가의 Ge(게르마늄)이나 Si(실리콘)의 결정에 3가의 In(인듐)이나 Ga(갈륨)을 극미량 넣으면 8개의 전자가 서로 공유 결합하여야 되는데 하나가 부족한 곳이 생긴다. 이와 같은 곳을 정공(hole)이라고 한다. 이때 이 홀을 이웃한 전자들이 자꾸 메움으로써 회로에 전류가 흐른다. 홀은 음(-)전하를 띤 전자가 하나 모자란 상태이므로 양(+)전하로 볼 수 있다. 이 홀이 전하의 운반체 역할을 하는 반도체를 P형 반도체라고 한다.n형 반도체4가의 Ge(게르마늄)이나 Si(실리콘) 등의 원자에 5가의 As(비소)나 Sb(안티몬)을 극히 소량을 섞으면 다음 그림과 같이 5개의 외각 전자 중 4개는 Ge, Si의 가전자와 공유 결합을 하고 남은 전자 1개는 자유 전자가 된다. 이 자유 전자가 결정 안을 자유롭게 돌아다니면서 전하의 운반체 역할을 한다. 전하의 운반체가 음(-)전하를 띤 전자인 반도체를 N형 반도체라고 한다.

공학/기술| 2015.11.12| 5페이지| 1,000원| 조회(171)

다이오드, 일반물리, n형 반도체, p형 반도체

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