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[물리 실험 보고서] 옴의 법칙 실험 보고서 – 네이버 블로그
옴의 법칙 실험 보고서. 1. 실험 목적. 회로를 이용하여 옴(Ohm)의 법칙을 알아본다. 특히, 주어진 저항의 양단의 전위차 변화에 따른 전류의 변화, …
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【물리학 실험】 6강. 옴의 법칙 실험 – 정빈이의 공부방
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Date Published: 9/29/2022
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실험 1 : OHM의 법칙 – PART1DC 회로 – AReS
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Date Published: 1/24/2022
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15. 옴의 법칙 실험 (Ohm’s law) – 情이 흐르는 이야기
옴의 법칙 실험 (Ohm’s law). ◎ 실험 목적 – 전기 저항 양 끝의 전압(전위차)과 전기저항을 지나가는 전류를 측정함으로써 전압과 전류
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Date Published: 5/15/2022
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물리학 실험 예비 보고서_03. 옴의 법칙 실험_Ver1_200523_R0
실험제목. Ohm의 법칙. 2.실험목적. 저항들이 직렬 및 병렬로 연결된 회로에서 전압, 전류를 측정하여 Ohm의 법칙을 확인하며, 각 회로에서의 등가 …
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Date Published: 2/10/2022
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연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)
오옴의 법칙 (Ohm’s Law). 1. 실험목적 멀티테스터(multitester) 구조의 기본이 되는 검류계(galvanometer) … 저항(resistance)의 단위는 ohm, 기호는 Ω을 사용한다.
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Date Published: 7/9/2021
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- Author: 이진영
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- Date Published: 2017. 3. 25.
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[물리 실험 보고서] 옴의 법칙 실험 보고서
옴의 법칙 실험 보고서
1. 실험 목적
회로를 이용하여 옴(Ohm)의 법칙을 알아본다. 특히, 주어진 저항의 양단의 전위차 변화에 따른 전류의 변화, 전압이 일정할 때 저항의 변화에 따른 전류의 변화, 전류가 일정할 때 저항의 변화에 따른 전압의 변화를 실험을 통해 알아본다.
2. 실험 기구
가. Ohm의 법칙 실험기
나. 멀티미터
도체의 저항, 두 점 사이의 전압 및 전류의 세기를 측정하는 장치
다. 직류 전압계
라. 직류 전류계
3. 원리 및 이론
가. 용어 정리
1) 옴의 법칙 (Ohm’s law)
가) 1826년 독일의 물리학자 G. S. Ohm이 발견
나) 전류의 세기는 두 점 사이의 전위차에 비례하고, 전기 저항에 반비례한다는 법칙
다) V = IR의 관계 성립 (V = 전압의 크기, I = 전류의 세기, R = 전기 저항)
2) 저항 (Resistence)
가) 전류가 흐르는 것을 막는 작용
나) 단위는 옴(Ω), 1Ω = 1V의 전압을 가할 때 1A의 전류가 흐르는 도체의 저항
다) 저항 R은 도체의 길이 l에 비례하고, 단면적 s에 반비례한다.
라) 저항률 ρ는 도체 1㎥의 정육면체가 마주보는 면 A, B 사이의 저항값이다.
나. 이론
3 – 가 – 1)에서 알 수 있뜻이, V = IR 식이 성립한다. (옴의 법칙)
다. 실험 원리
1) 저항의 직렬연결에서 합성 저항의 크기
직렬연결에서 이다. 따라서
이므로 직렬연결에서 등가저항 는 이 된다.
2) 저항의 병렬연결에서 합성 저항의 크기
병렬연결에서 이다. 따라서
이므로 병렬연결에서 등가저항 는 이 된다.
【물리학 실험】 6강. 옴의 법칙 실험
6강. 옴의 법칙 실험
추천글 : 【물리학 실험】 물리학 실험 목차
1. 목적
물리학은 중력, 전자기력, 강력, 약력에 의해 지배된다. 이 중 핵자간 힘인 강력과 약력은 거시세계에서 나타나기 어렵고, 중력은 유체역학에서 알 수 있듯이 이용하기 어려운 힘이다. 반면 전자기력은 예상하기 쉽고 확장성이 있어 일찍이 인류의 삶을 상당히 개선시켰다. 전자기력은 특히 회로이론으로 대표되고 회로이론의 핵심적인 개념은 옴의 법칙이다. 본 실험을 통해 옴의 법칙을 확인하고 보정하는 방법을 배울 수 있다.
2. 이론적 배경
2.1. 옴의 법칙 유도
전자의 질량 m, 전하량 q, 충돌빈도수 μ에 대해 운동방정식은 다음과 같다.
이를 적분하면 다음과 같다.
t = 0일 때 v = 0이므로 다음과 같다.
전류밀도를 J, 전기전도도를 σ라고 하자.
도선의 재료로 많이 사용하는 구리의 경우 시간상수 τ = 1 / μ = 10-14이므로 e-μt 항이 무시될 수 있어 다음과 같이 간주해도 무방하다.
옴물질에서 다음이 근사적으로 성립한다.
2.2. 옴물질, 비옴물질
전류나 전압이 변해도 저항이 변하지 않는 물질을 옴물질이라고 정의한다. 사실 모든 물질은 비옴물질이며, 옴물질은 좁은 구간에서만 유효한 개념이다. 도체, 부도체는 온도가 증가함에 따라 원자 진동이 증가한다. 그 결과 충돌빈도수 μ가 증가하고 σ가 감소하여 저항이 증가한다. 다음은 일반적인 저항의 온도-저항 관계를 나타내고 있다.
I-V 곡선의 기울기는 R이므로 다음과 같다.
Figure. 2. 비옴물질의 I-V 곡선
3. 실험장치 및 방법
첫째, 전원장치의 전압을 3 V로 했을 때 저항 R 1 에 흐르는 전류에 대하여, 전원장치의 값과 전류계의 값을 비교한다.
둘째, 전원장치의 전압을 달리 하였을 때 저항 R 1 에 흐르는 전류의 크기를 측정한다.
셋째, 전원장치의 전압을 3 V로 고정하고 다음과 같은 조합의 회로에서 전체 전류를 측정한다 : R 1 단독, R 2 단독, R 8 단독, R 9 단독, R 1 -R 2 직렬, R 8 -R 9 병렬, R 2 -R 8 -R 9 직병렬.
넷째, 각 전류값을 분석하여 옴의 법칙을 확인하고 보정한다.
4. 실험결과 4.1. 전원장치와 전류계의 비교 정전압 전원장치는 일정한 전압을 제공하기 위한 장치이다. 본 실험에서 사용한 전원장치는 전류를 표시하는 기능이 있었는데, 전원장치의 필수적인 기능이 아니었으므로 합리적인 값을 표시해 주는지 확인해 볼 필요가 있었다. 따라서 다음과 같이 비교해 보았다.
Figure. 3. 회로도
Figure. 4. 전원장치 표시값
Figure. 5. 전류계 표시값
4.2. 전압에 따른 전류값의 추이
Table. 1. 전압에 따라 측정된 R 1 의 저항값
Figure. 6. R 1 의 추이 그래프
Table. 2. 다항식 차수별 추세선의 방정식
4.3. 다양한 회로에서의 전체 전류 측정
Table. 3. 다양한 회로에서의 측정값
5. 실험결론 및 논의 5.1. 전원장치와 전류계의 차이 원인 전원장치의 표시값은 0.144 A였고, 전류계의 표시값은 0.12 A였다. 대략적으로 값이 일치한다는 점을 통해 전원장치의 표시값이 합리적인 값을 나타낸다는 것을 알 수 있다. 하지만 분명한 차이가 있다는 것도 알 수 있다.
전류계는 d’Arsonval Meter의 일종이고, d’Arsonval Meter는 다음 방정식을 따른다.
Pointer는 일시적으로 단진동을 하지만 마찰에 의해 진폭이 서서히 감소하여 우변이 0으로 수렴한다.
따라서 전류계에서 측정된 각변위 감소는 장치의 노후화로 인해, κ가 증가했거나 영구자석의 자기장이 감소했기 때문으로 추정해 볼 수 있다. 두 원인 모두 시간과 관계된 것으로, 구체적으로 κ의 증가는 용수철 탄성의 감소 또는 피로응력과 관련이 있고, 자기장 감소는 영구자석의 자기에너지 손실과 관련이 있다.
5.2. 내부저항 계산 전원장치는 하나의 직류회로로 간주할 수 있다. 직류회로이론에 따르면 모든 직류회로는 The’venin 등가회로로 나타낼 수 있다. 즉, 전원장치의 정확한 회로 구성은 모르더라도 하나의 독립전압원과 하나의 R th 가 직렬로 연결된 회로로 간주할 수 있다는 의미이다.
이 경우 두 가지 방법으로 내부저항 r을 계산할 수 있다. 첫 번째 방법은 R 1 단독, R 2 단독, R 1 -R 2 직렬의 데이터를 이용하는 것이다. 이 경우 1.83505 Ω이 나온다. 두 번째 방법은 R 2 단독, R 8 -R 9 병렬, R 2 -R 8 -R 9 직병렬의 데이터를 이용하는 것이다. 이 경우 -0.77093 Ω이 나온다. 두 방법으로 도출한 값이 다르고, 두 번째 방법에서 음의 저항값이 나왔으므로 잘못된 계산이라고 할 수 있다. 이를 보정하기 위해서 Table. 1.에서 관찰되었던, 전류에 따른 저항값의 변화를 이용해야 한다.
Figure. 1.에 따르면 다음 식이 도출된다.
전류-전압 곡선의 적절한 추세선은 첫째 원점을 지나야 하고, 둘째 음의 계수가 없어야 한다. 전류가 0일 때 전압이 0인 것은 당연하고 실제로 관찰한 바도 있으며, 임의의 계수는 양의 물리량의 조합일 것이기 때문이다. 그 결과 Table. 2.에서 적절한 것은 2차 추세선이다.
자세한 인과관계는 밝히기 어렵지만 ΔT는 전류 I에 비례하는 것으로 보인다.
이를 통해 R 1 단독, R 2 단독, R 8 단독, R 9 단독의 결과를 보정하였다. 이를 R 1 -R 2 직렬의 결과와 비교하여 내부저항 r을 계산하였다.
이제 R 8 -R 9 병렬회로를 해석하려고 하는데, 병렬회로가 있는 부분에서 전체 전류와 다른 전류가 흐르므로 보정을 개별적으로 해야 한다. 하지만 마땅히 계산할 방법이 없으므로 다음 방법을 모색하였다. [1] r = 1.759463995 Ω을 이용하여 R 8 만의 저항과 R 9 만의 저항을 계산, [2] 전체 전류가 각 저항에 나뉘어 흐르는 전류값 계산, [3] R 8 과 R 9 의 증가된 저항 계산, [4] R 8 과 R 9 의 병렬 부분의 전압강하의 평균값 계산, [5] 내부저항의 전압강하를 계산, [6] 마지막으로 I 0 (1 + 0.02531601987 I 0 )으로 나눗셈. 단, [2] 과정에서 다음 수식을 이용한다.
이때 내부저항 r은 다음과 같이 나타났다.
앞서 구한 값과 비교해서 상당히 유사한 값이 나왔다. 또한 전류계의 저항값은 대략 1 Ω 정도라는 상식과도 부합한다. 따라서 이와 같은 접근이 꽤 타당하다는 사실을 알 수 있다.
하지만 한계 또한 존재한다. 우선 위 계산에서 α 20 ΔT가 일정하다는 가정이 있었는데, 이는 각 저항이 동일한 재질로 이루어져 있음을 함축한다. 이를 직접 확인해야 하는 대목이다. 또한 [1] ~ [6]에 해당하는 과정 중 [2] 과정에서 불필요한 근사 과정이 있었다. 그 결과 실제로 병렬연결이면서 R 8 과 R 9 의 전압강하가 달라 [4]와 같은 과정이 필요했다. 근사 없이 계산할 수 있는 방법을 연구해야 할 것이다. 또한 ΔT와 전류 I가 정말 1차 비례하는지 검증하고 규명해야 한다. 열전달 이론에 따르면 ΔT는 I 2 에 비례한다고 예측하기 때문이다.
AReS
PART1 DC 회로
실험목적
1. 저항(R), 전류(I), 전압(E)의 특성과 이들의 상호 관계를 설명하는 OHM의 법칙을 이해한다.
저항(R), 전류(I), 전압(E)의 특성과 이들의 상호 관계를 설명하는 OHM의 법칙을 이해한다. 2. 2개 이상의 저항이 직렬 또는 병렬로 연결되었을 때 그 합성 저항의 변화에 대하여 알아본다.
2개 이상의 저항이 직렬 또는 병렬로 연결되었을 때 그 합성 저항의 변화에 대하여 알아본다. 3. Kirchhoff‘s Law을 이용하여 전압원이 두 개 이상인 회로에서 전류의 Branch 및 각 요소의 전위에 대하여 알아본다.
Kirchhoff‘s Law을 이용하여 전압원이 두 개 이상인 회로에서 전류의 Branch 및 각 요소의 전위에 대하여 알아본다. 4. 저항 측정은 물론 각종 신호의 감지 회로에 응용되는 Wheatstone Bridge의 Balance 회로에 대해 알아본다.
실험 1 : OHM의 법칙
이론
Ohm의 법칙은 전압(E), 전류(I), 저항(R)의 상호관계를 정의한다. 즉 전압은 전류와 저항에 비례하며, 전류와 저항은 서로 반비례한다는 것을 보여준다. 전압은 두 점간의 전위차를 말하는 것으로 전기(전류)압을 의미하고, 기호는 “E”로 표시하며 단위는 V(Volt)로 나타낸다. 전류는 전하의 이동을 말하며 정전하가 이동하는 방향을 +방향으로 정한다. 단위 시간(Sec)내에 흐르는 전류를 표시할 때 기호로는 “I”로 나타내고 단위는 A(Ampere)로 나타낸다. “R”로 표시되는 저항은 전류의 흐름을 방해하는 정도를 정의하며 단위는 Ω(ohm)으로 나타낸다. 1V의 전압에서 1A의 전류가 흐른다면 이 회로의 저항은 1Ω인 것이다. Ohm’ Law을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
그림 1-2는 기본적인 전류 회로를 보여주고 있다. 여기서 전류계는 회로에 직렬로, 전압계는 측정하고자 하는 부하에 병렬로 연결한다. 저항이 거의 없다는 것은 단락(Short), 저항이 무한대와 같다는 것은 개방(Open)됨을 말한다. 또한, 전류가 흐르는 회로에 저항이 연결되면 일(Work)이 발생하며 이를 전력이라 부른다. 전력은 전류가 단위 시간에 하는 일의 양을 말하며 기호로는 “P”로 표시하고, 단위는 W(Watt)로 나타낸다. 만약 일정한 저항을 갖는 부하일 경우에는 그 부하 양단의 전위차(전압)의 제곱에 비례한다. 전력을 전압, 전류, 저항과의 관계로 수식적으로 표현하면 다음과 같다.
실험 과정
1. M-01의 회로-1에서 A2-1a 단자와 1b-1c 단자를 연결하여 그림 1-3과 같이 회로를 구성한다.
2. 전원 공급기의 출력 전압을 10V로 하여 그 출력을 회로의 입력 단자 (+)-(-)에 연결한다. 그리고 전압계와 전류계를 그림 1-3과 같이 연결한다.
3. 전압계와 전류계로부터 전압과 전류를 측정하고, 표 1-1의 해당란에 기입한다. 그리고 오옴의 법칙에 따라 저항값을 계산하여 기입한다.
실험 1-1.1 옴의 법칙 (M-01의 Circuit-1에서 그림 1-3과 같이 회로를 구성한다.) 1. 결선 방법(M-01의 Circuit-1) 1. 회로결선 Circuit-1의 A2 단자와 1a 단자 간을 황색선으로 연결하고, 1b 단자와 1c 단자 간을 황색선으로 연결한다.(R2 단락) 2. 전원 연결 Variable Power에 com 단자와 Circuit-1의 0~10V 입력의 (-) 단자 간을 흑색선으로 연결하고, V1 단자와 Circuit-1의 0~10V 입력의 (+) 단자 간을 적색선으로 연결한다. 3. 계측기 연결 전류계 연결 Circuit-1의 A1 단자와 전면 패널의 Multimeter Current의 mA/A 단자 간을 적색선으로 연결하고, A2 단자와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 전압계 연결 Circuit-1의 0~10V 입력의 (+) 단자와 전면 패널의 Signal Input의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, (-) 단자와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 2. 결선도 flash 3. 측정방법 1 Touch LCD 패널 좌측 메뉴에서 variable power 를 선택한다. 2 3 CH DC 탭을 선택하고, DC Voltage V1에서 button_arrow 를 클릭하여 10V를 설정한다. DC Voltage V1을 더블 클릭하여 Quick Number Keypad를 이용하여 1 , 0 그리고 ok 클릭하면 직접 입력된다. 3 on 을 클릭하면 다음 화면과 같으며, DC 10V의 출력이 회로에 입력된다. 4 Touch LCD 패널 좌측 메뉴에서 analog input 을 선택한다. 5 메인 창에 Volt & Ampere Meter 탭을 선택하고, CH A 창에서 voltage 클릭하고 Function에서 av 및 dc 를 클릭한 후 CH A에 표시된 측정값을 표 1-1의 그림 1-3 란에 기록한다. 이때 CH A는 R1 양단의 전압 V-1이다. 아래 그림에 CH에 표시되는 전류는 측정 되어져 나오는 값이 아니라 우측 하단에 표시 되는 저항 값(Ω)에 대해서 전류를 계산으로 표시한 것이다. 6 좌측 메뉴에서 dmm 을 클릭하면 Digital Multi Meter 창이 나타나며 이때 dci 를 클릭하면 A-1의 전류값이 나타난다. 표 1-1의 그림 1-3 란에 기록한다. 4. 계산 1. 표 1-1의 그림 1-3 란에서 측정된 전압과 전류를 가지고 옴의 법칙에 따라 저항값을 계산하여 기입한다.
실험 과정
1. M-01의 회로-1에서 1b-1c 양단의 연결을 개방시켜 회로를 그림 1-4와 같이 구성한다. 그리고 전류계의 연결을 그대로 둔 상태에서 전압계를 1a-1b, (-)-A1 양단에 각각 연결한다.
2. R1, R2양단의 전압과 전류를 측정하여 표1-1의 해당란에 기입한다. 측정한 전류와 전압값을 가지고 오옴의 법칙에 따라 저항값을 계산하고 표 1-1에 기입한다.
실험 1-1.2 옴의 법칙 (M-01의 Circuit-1에서 그림 1-4와 같이 회로를 구성한다.) 1. 결선 방법(M-01의 Circuit-1) 1. 회로결선 Circuit-1의 A1 단자와 A2 단자간을 황색선으로 결선한다. 2. 전원 연결은 실험 1-1과 같다 3. 계측기 연결 전류계 연결 Circuit-1의 A2 단자와 전면 패널의 Multimeter Current의 mA/A 단자 간을 적색선으로 연결하고, 1a 단자와 Low 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 전압계 연결 V-1 전압 측정 : Circuit-1의 1a 단자와 전면 패널의 Signal Input의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, 1b 단자와 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다. V-2 전압 측정 : 1b 단자와 Signal Input의 B+ 단자를 적색선으로 연결하고, 1c 단자와 B- 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 2. 결선도 flash 3. 측정방법 1 Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 variable_power 를 선택한다. 2 3 CH DC 탭을 선택하고, DC Voltage V1에서 arrow 를 클릭하여 10V를 설정하고, on ,을 클릭하면 DC 10V의 출력이 회로에 입력된다. 3 Touch LCD 패널의좌측 메뉴에서 analog input 를 선택, Volt & Ampere Meter 탭을 선택, CH A, CH B 의 각각에 voltage 를 선택하고 Function에서 av 및 dc 를 선택한다. . CH A, CH B에 표시된 측정값을 표 1-1의 그림 1-4 란에 기록한다. 이때 CH A는 R1 양단의 전압 V-1과 R2양단의 전압 V-2이다. 4 Touch LCD 패널의 좌측 메뉴에서 dmm 을 클릭하고 dci 를 클릭하면 전류값이 측정된다. 표 1-1의 그림 1-4 란에 기록한다. 4. 계산 1. 표 1-1의 그림 1-4 란에 측정된 전압과 전류를 가지고 옴의 법칙에 따라 저항값을 계산하여 기입한다.
실험 과정
1. M-01의 회로-1에서 A1-A2, 1b-c1, 1e-1f 양단을 단락시켜 그림 1-5와 같이 회로를 구성한다. 그리고 전압계를 A1-1c 양단에, 전류계를 A2-1a, a2-1d 양단에 연결한다.
2. 전압과 전류값을 측정하여 표 1-1의 해당란에 기입한다. 측정한 전류, 전압값을 이용하여 저항값을 계산하고 표 1-1에 기입한다.
실험 1-1.3 옴의 법칙 (M-01의 Circuit-1에서 그림 1-5와 같이 회로를 구성한다.) 1. 결선 방법(M-01의 Circuit-1) 1. 회로결선 Circuit-1의 A1 단자와 A2 단자 간, 1b 단자와 1c 단자 간, 1e 단자와 1f 단자 간을 황색선으로 결선한다. 2. 전원 연결은 실험 1-1과 같다. 3. 계측기 연결 전류계 연결 A-1 전류 측정시 : a2 단자와 1d 단자 간을 황색선으로 연결한 후, 전면 패널의 Multimeter Current의 mA/A 단자와 Circuit-1의 A2 단자 간을 적색선으로 연결하고, Low 단자와 1a 단자 간을 흑색선으로 연결한다. A-2 전류 측정시 : a2 단자와 1d 단자 간을 황색선으로 연결한 것을 제거하고 A2 단자와 1a 단자 간을 황색선으로 결선한 다음, 전면 패널의 Multimeter Current의 mA/A 단자와 Circuit-1의 a2 단자 간을 적색선으로 연결하고, Low 단자와 1d 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 전압계 연결 Circuit-1의 0~10V 입력의 (+) 단자와 전면 패널의 Signal Input의 A+ 단자 간을 적색선으로 연결하고, (-) 단자 A- 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 2. 결선도 A-1 전류 측정시 flash A-2 Current Measurement flash 3. Measurement 1 Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 variable_power 를 선택하고, 3 CH DC 탭에서 DC Voltage V1의 arrow of DC Voltage V1 on 3CH tab to set up 10V.
If you click on 을 클릭하면 DC 10V의 출력이 회로에 입력된다. 2 좌측 메뉴에서 analog input 을 선택하고, Volt & Ampere Meter 탭을 선택한 다음 CH A의 voltage 를 클릭하고 Function에서 av 및 dc 를 클릭하면 측정값이 표시된다.
이 값을 표 1-1의 그림 1-5란에 기록한다. 이때 CH A는 R1 양단 전압 V-1이다. 3 1. 결선방법>전류계 결선>A-1 전류 측정시> 와 같이 결선한 후, 좌측 메뉴에서 dmm 을 클릭하면 Digital Multi Meter 창이 나타나며 이때 dci 를 클릭하면 A-1의 전류값이 측정된다. 표 1-1의 그림 1-5란에 기록한다. 4 1. 결선방법>전류계 결선>
와 같이 결선하면 A-2의 전류값이 측정된다. 표 1-1의 그림 1-5란에 기록한다. 4. 계산 1. 표 1-1의 그림 1-5란에 측정된 전압과 전류를 가지고 옴의 법칙에 따라 저항값을 계산하여 기입한다. 실험 과정
1. M-01의 회로-1에서 A1-A2 양단을 단락시키고 전압계와 전류계를 그림 1-6과 같이 연결하여 회로를 구성한다.
2. 전압과 전류값을 측정하여 표 1-1의 해당란에 기입한다. 측정한 전류, 전압값을 이용하여 저항값을 계산하고 표 1-1에 기입한다.
실험 1-1.4 옴의 법칙 (M-01의 Circuit-1에서 그림 1-6과 같이 회로를 구성한다.) 1. 결선 방법(M-01의 Circuit-1) 1. 회로 결선 Circuit-1의 A1 단자와 A2 단자간을 황색선으로 결선한다. 2. 전원 연결은 실험 1-1과 같다. 3. 계측기 연결 전류계 연결 A-1 전류 측정시 : a2 단자와 1d 단자 간을 황색선으로 연결한 후, 전면 패널의 Multimeter Current의 mA/A 단자와 Circuit-1의 A2 단자 간을 적색선으로 연결하고, Low 단자와 1a 단자 간을 흑색선으로 연결한다. A-2 전류 측정시 : a2 단자와 1d 단자 간을 황색선으로 연결한 것을 제거하고 A2 단자와 1a 단자 간을 황색선으로 결선한 다음, 전면 패널의 Multimeter Current의 mA/A 단자와 Circuit-1의 a2 단자 간을 적색선으로 연결하고, Low 단자와 1d 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 전압계 연결 V-1 전압 : 전면 패널의 Signal Input의 A+ 단자와 Circuit-1의 1b 단자 간을 적색선으로 연결하고 A- 단자와 1c 단자 간을 흑색선으로 연결한다. V-2 전압 : 전면 패널의 Signal Input의 B+ 단자와 Circuit-1의 1e 단자 간을 적색선으로 연결하고 B- 단자와 1f 단자 간을 흑색선으로 연결한다. 2. 결선도 A-1 전류 측정시 Alternative content A-2 전류 측정시 Alternative content 3. 측정방법 1 Touch LCD 패널에서 좌측 메뉴에서 variable_power 를 선택하고, 3 CH DC 탭에서 DC Voltage V1의 arrow 를 클릭하여 10V를 설정한다.
on을 클릭하면 DC 10V의 출력이 회로에 입력된다. 2 좌측 메뉴에서 analog_input 을 선택하고, Volt & Ampere Meter 탭을 선택한 후 CH A, CH B 각각에 button_voltage , av , dc 를 클릭한다.
CH A, CH B에 표시된 측정값을 표 1-1의 그림 1-6 란에 기록한다. 이때 CH A는 R2 양단의 전압 V-1과 R4 양단의 전압 V-2이다. 3 1. 결선방법>전류계 결선>A-1 전류 측정시> 와 같이 결선한 후, 좌측 메뉴에서 dmm 을 클릭하면 Digital Multi Meter 창에 A-1의 전류값이 측정된다. 표 1-1의 그림 1-6란에 기록한다. 4 1. 결선방법>전류계 결선>
와 같이 결선하면 A-2의 전류값이 측정된다. 표 1-1의 그림 1-6란에 기록한다. 4. 계산 1. 표 1-1의 그림 1-6란에 측정된 전압과 전류를 가지고 옴의 법칙에 따라 저항값을 계산하여 기입한다.
15. 옴의 법칙 실험 (Ohm’s law)
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15. 옴의 법칙 실험 (Ohm’s law)
◎ 실험 목적
– 전기 저항 양 끝의 전압(전위차)과 전기저항을 지나가는 전류를 측정함으로써 전압과 전류
사이의 관계를 이해한다.
◎ 옴의 법칙(Ohm’s law)
•R = V / I
1 Ω=1 V/1A
•저항 R의 단위 : Ω(Ohm)
•전류 I 의 단위 : A(Ampere)
•전압 V의 단위 : V(Voltage)
◎ 전기 저항 (electric resistance)
– 물체에 전류가 흐를 때 이 전류의 흐름을 방해하는 요소를 저항이라고 한다.
때로는 전기소자로서의 저항(resistor)과 혼용되기도 하는데, 이 사전에서는 전기소자로서의
저항은 저항기로 구분해서 표시한다.
금속에서 전기저항은 금속이온이 방해하는 역할
– 저항은 도체의 모양(기하학적 요소 – 길이, 단면적, 크기)에 따라 다른 값을 가진다.
저항
◎ 비저항 (resistivity, specific resistance)
– 저항은 도체의 모양에 따라 다른 값을 가지는데 때로는 이런 요소에 관계없이 물질의 특성에
의해 정해지는 물리량을 사용하는 것이 편하다.
이때 저항식에 사용된 비례 상수 ρ를 비저항 이라고 한다.
비 저항은 전기전도도(electric conductivity) σ 의 역수이다.
여러 물질의 비저항
◎ 온도에 따른 저항 변화
– 도체의 저항은 온도가 높아질수록 커진다.
온도가 높아지면 비저항이 커지는 이유 도체와 온도와 비저항의 관계 / 절연체, 반도체, 도체의 온도와 비저항의 관계
◎ 비-옴 물질(Non-Ohmic resistance)
○ 옴의 법칙을 따르지 않는 저항 물질
○ 전류 ∝ 전압이 성립하지 않음
○ 저항이 전류에 따라 변함
◎ 저항 읽는 법
저항 읽는 법
◎ 저항 연결
1. 직렬연결
2. 병렬연결
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물리학 실험 예비 보고서_03. 옴의 법칙 실험_Ver1_200523_R0
1.실험제목
Ohm의 법칙
2.실험목적
저항들이 직렬 및 병렬로 연결된 회로에서 전압, 전류를 측정하여 Ohm의 법칙을 확인하며, 각 회로에서의 등가저항을 실험적으로 측정하고 이를 폐회로 정리에 의한 이론적 결과와 비교한다.
3.실험이론
(1) 옴의 법칙
코일선의 양단에 가변전위차 V를 가해주자. 가해 준 각각의 전위차에 대해서 전류 I를 측정하고 V를 가로축으로 I를
세로축으로 그림을 그리면 직선이 나온다. 이것은 도체의 저항은 가해 준 전압의 값 여하에 관계없이 동일하다는 뜻이
된다. 금속도체에 대해 성립하는 이 결과를 옴의 법칙이라고 한다.
왼쪽은 그림(1), 오른쪽은 그림(2)
그림 (1) 에서 전압을 부의 값으로 한다는 것은 도선 코일에 가해 준 전위차의 극성을 역으로 한다는 사실에 대응한다.
극성을 역으로 하는 일의 경우 전류의 흐르는 방향이 단순히 역으로 된다는 것을 알 수 있다. 이 때의 전류의 크기는 변하지 않는 채로 있게 된다. 하지만 옴에 법칙에 따르지 않는 도체의 장치도 많다.
그림 (2) 는 규소 기부의 Pn 접합 반도체 다이오드에 대한 V-I의 그래프를 나타낸 것이다. V>0에 대한 곡선은 직선이 아니며 대칭성을 가지지도 않는다. 이것으로 보아서 도체의 V-I곡선이 선형일 경우에만 그 도체가 옴의 법칙을 따른다.
즉 R이 V와 I에 대해 독립일 경우에만 옴의 법칙이 성립한다는 것이다. 또한 도체가 옴의 법칙을 따르든지 그렇지 않던 지간에 V=IR이라는 관계식은 도체의 저항의 정의 식으로서 그대로 성립한다.
정전기학은 전기장의 근원인 전하들이 움직이지 않을 때 적용된다. 그런데 실제로는 이보다 일반적으로 e와 J가 변하지 않으면 전자기학과 정전기학이 적용된다. 예를 들어 전하가 고르게 펴진 공이 돌 때에도 그것이 멈춰 있을 때와 같은 전기장을 만든다. 그러나 전자들이 실제로 멈추어 있을 때 만 성립하는 정전기학의 법칙이 있는데 도체 속에서 E=0이라는 법칙이다. J=σf 전류밀도 J는 단위전하에 미치는 힘 f에 비례한다. 비례상수 는 실험에서 얻은 상수로 매질의 전도도라고 한다. 대개의 금속 전도도는 10^22배 정도로 완전도체로 간주할 수 있다. 전류를 발생시키는 힘(전자기력) J=σ(E+V*B)이다.
그러나 보통전하의 속도는 그리 빠르지 않으므로 무시할 수 있고 J=f로 쓸 수 있다.
V=IR 이것은 전극을 늘어놓은 모양과 두 전극을 잇는 매질의 전도도에 따라 결정된다. 지시적인 영역에 대해 미분형으로 표시한 옴의 법칙을 적용하면 널리 사용되고 있는 옴의 법칙의 표현식을 구할 수 있다.
J와 E가 균일하다고 가정하면
가 된다.
한편 원통 양단면 사이의 전위차와 전위가 높은면으로 흘러들어가는 전류와의 비를 회로이론에서 원통의 저항이라고
부른다. 이 저항을 R이라고 하면 V=IR이란 관계를 얻게되고,
이다.
(2) 회로에서 저항과 전류의 측정
① 저항의 직렬 연결
세 개의 저항 R1, R2, R3가 직렬 연결되었을 때 등가저항 R을 구하기 위해 폐회로 정리를 말하면 회로에 흐르는 전류가 I라고 할 때 회로의 임의의 점을 출발하여 시계방향으로 일주하면, 저항 R1, R2, R3에서 -IR1, -IR2, -IR3의 전압강하가 일어나며 기전력 장치에서 전압증가가 있게 된다.
등가저항 R은
와 비교하여 R= R1+R2+R3임을 알 수 있다.
②저항의 병렬 연결
저항 R1, R2, R3에 흐르는 전류는
이고 이것의 합은 회로에 흐르는 전체전류 I와 같게 된다.
그런데
이므로 이를 대입하면
이 성립한다.
4.참고문헌
1) Introduction to dectrodynamics (기초전자기학 제 2판), David J. Griffiths원저 교학사. pp. 251~253
2) Engineering Electromagnetocs (전자기학), William. H. Hayt 박한규, 윤상원 공역 pp. 125~126
3) Fundamentals of physics (물리학 총론 개전증보판 2부), Halliday, Resnick원저 pp.737~741
5.기구 및 장치
1) 저항 회로상자
2) 직류전원장치 (0-30 V)
3) 직류전압계 (0-15V)
4) 직류전류계 (0-20mA)
5.실험방법
1) Ohm의 법칙을 확인하고 각각의 저항 R1, R2, R3의 값을 측정하기 위해, 먼저 저항 R1과 직류전원으로 구성된 단일 폐회로를 구성한다.
2) 가변전원 스위치를 켜고 전압계의 눈금을 보아가면서 전원의 조절손잡이를 조정하여 여러 전압(예를 들어 2V,2.5V,3V,3.5V,4V 등)에 따라 회로에 흐르는 전류를 전류계로 측정하여 표에 기록한다.
3) R2, R3에 대해서도 (1),(2)의 과정을 반복한다.
4) 표로부터 V와 I가 직선적인지, 즉 Ohm의 법칙이 성립하는지 확인하고 식(1)을 이용해 저항 R1, R2, R3의
평균값을 구한다.
5) R1, R2, R3가 직렬로 연결되었을 때의 등가저항을 구하기 위하여 그림 (4)와 같은 회로를 구성한다.
6) 전원의 값을 변화시켜가면서 (1~6V 정도) a,b 양단간의 전압과 회로에 흐르는 전류 I를 측정하여 표에 기록한다.
7) R1, R2, R3가 병렬로 연결되었을 때의 등가저항을 구하기 위해 그림 (3)과 같은 회로를 구성한다.
8) 전원의 값을 변화시켜가면서 (0.5V ~ 2.5V 정도) 회로에 흐르는 전류값과, c,d 양단간의 전압을 측정하여 표에 기록한다.
9) (1)~(4)의 과정을 거쳐 얻은 R1, R2, R3 값으로부터 식 (5)에 의해 계산된 직렬회로의 등가저항값과 (5)~(6)의 과정에 의하여 얻은 실험치를 비교한다.
10) 식 (8)에 의하여 계산된 병렬회로의 등가저항값과 (7)~(8)의 과정에서 얻은 실험치를 비교한다.
연세대학교 물리학실험실(Yonsei Phylab)
Exp_Old. 오옴의 법칙 (Ohm’s Law)
1. 실험목적
멀티테스터(multitester) 구조의 기본이 되는 검류계(galvanometer)의 물리적 원리를 이해하고 저항과 기전력으로 구성된 회로에서 전압과 전류를 멀티테스터(아나로그, 디지탈)로 측정하여 오옴(Ohm)의 법칙과 키르히호프(Kirchhoff)의 법칙을 확인하고 저항에 대한 색코드 구별법 등을 익힌다.
2. 원리
(1) 오옴(Ohm)의 법칙
정전기학에서 정전평형 상태에 있는 도체 내에서는 전기장이 0 이된다. 만일 그렇지 않다면 도체내의 자유전하는 움직일것이다. 회로내에서 전위차가 존재할때 전류는 흐르게되고 전류는 전위차에 비례하고 저항에 반비례한다는 것을 오옴(1787-1854)은 실험적으로 증명하였다.
전류를 I, 전위차를 V, 저항을 R 이라하면 I ∝ V, I ∝ 1/R 즉,
V = RI ————————(1)
직렬연결과 병렬연결에 대해 각각 합성저항(또는 등가저항) R S ,R P 는
직렬연결시: R S =R 1 +R 2 +R 3 + … ————(2)
병렬연결시: 1/R P =1/R 1 +1/R 2 +1/R 3 +… ——(3)
가 됨을 알수있다. 여기에서 I= D q/ D t 이므로 그 단위는 [coul/sec]=[ampere]이고, V=W/q 이므로 [joul/coul]=[volt]이다. R = V/I 이므로 [volt/amp]=[ohm] 이다.
저항(resistance)의 단위는 ohm, 기호는 Ω을 사용한다. 저항의 값은 세계적으로 공통적인 표준색채기호(standard color code)를 사용하여 표기한다. 저항 둘레에는 [그림1]와 같이 색띠(color band)가 그려져 있다. 이와같은 기호는 일반적으로 1/4w, 1/2w, 1w, 2w 및 3w 이내의 와트수(wattage)가 되는 저항을 표기하는데 사용된다.(와트수는 물리적 저항의 중요한 2차 특성으로 저항에 흘릴 수 있는 전류의 크기를 가리키는 척도이며, 저항의 물리적 표면적의 크기에 비례한다.)
저항의 색띠를 읽는 방법은 첫 번째, 두 번째, 세 번째 색띠를 A, B, C라고 하면 셋째띠 C는 앞의 두 자리 수에 곱해지는 10의 멱수(decimal multiplier)를 나타내고, 이때 저항값은
(A)(B) × 10 C
이 된다. 네 번째 띠는 색띠로 저항값이 표시된 물리적 저항이 그 저항값을 중심으로 해서 몇 %이내의 것으로 선별된 것이냐를 나타내는 오차(tolerance)를 나타낸다.
이와같은 저항들은 분말흑연(powdered graphite)을 압축시켜 만들며 회로에 고정하기가 쉽도록 몸통 표면에는 절연물질이 입혀지고 양단에서 밖으로 도체 도선이 나와 있다. 이와 같은 저항들은 열에 약하므로 저 전력용으로 사용하며 3w이상의 전력소모(발열)가 많이 일어나는 저항들은 권선형 저항이나 도자기형 저항으로 만들고, 그것들은 대개 몇 Ω이고 몇 W에 사용되는지가 자체에 표시되어 있다. 색 구분 A,B,C 오차(%) 검은색 0 갈색 1 빨강 2 주황 3 노랑 4 초록 5 파랑 6 보라 7 회색 8 흰색 9 무색 20% 은색 10% 금색 5% [그림1] 저항의 색코드표 및 전기기호
(2) 키르히호프(Kirchhoff)의 법칙
(1)제1법칙: 어느 회로내의 분기점(node)에 들어오는 총 전류는 나가는 총 전류와 같다. 즉,
S I j =0 —————–(4)
(2)제2법칙: 어느 폐회로(loop) 내에서 모든 전위차 V의 대수적 합은 0 이다. 즉,
S V j = 0 —————–(5)
3. 기구 및 장치
(1) 건전지(DC 1.5V) 또는 DC전원(10V 이내)
(2) 멀티테스터(아나로그, 디지탈 각각 1대)
(3) 색코드별 저항판 (10개 부착)
(4) 리드선 (6개)
4. 실험방법
일반적으로 전압계는 내부 저항이 대단히 크기 때문에(10k W 이상), 회로에 연결될 경우, 전압계에 흐르는 전류는 무시될 수 있다. 따라서, 전압계는 회로에서 병렬연결하여 사용한다. 그러나, 전류계는 내부 저항이 대단히 작기 때문에(0.1 W 이하), 회로에 연결될 경우 전압 강하가 전혀 없으므로, 전류의 흐름에 영향을 주지 않는다. 따라서, 전류계는 회로에 직렬연결하게 된다. 그러므로 전류계의 최대한도보다 많은 전류가 흐르는 경우, 이 전류계는 파손될 우려가 있으므로, 사전에 전류를 미리 예측 하여야한다.
A. 직렬회로
[그림2] 직렬회로 (1) [그림2]와 같이 저항을 골라서 연결하고 DC전원 E b 스위치 는 아직 켜지 않는다.(저항을 2개 선택하여도 좋다)(2) 옴의 법칙에 의하여 각 저항에서의 전압강하는,
V 1 =IR 1 , V 2 =IR 2 , V 3 =IR 3 ——-(6)
(3) 폐회로에 대해 키르히호프의 제2법칙을 적용하면
E b -(V 1 +V 2 +V 3 )=0, E b =I(R 1 +R 2 +R 3 ) 등가저항은, R s = R 1 +R 2 +R 3 ————–(7)
I = E b / R s ——————(8)
(4) E b (=V)의 전압을 대략 10V 이내로 하고, 색코드에 의한 R s 값으로 대략 I를 계산한다.
(예) E b =1.5V, R 1 =500 W R 2 =1k W R 3 =3.5k W 을 선택했다면
I=1.5V/(500+1000+3500) W = 3 ?/font>10 -4 A = 0.3mA
(5) 위 계산값으로 전류계용 테스터기의 전류레인지가 적합한가를 확인하고, 계산값을 결과보고서 표에 기록한다.
(6) 실험 조교의 허락을 받고, 전원 E b 스위치를 켠다.
(7) 회로에 흐르는 전류 I와 전원 E b 의 전압을 기록한다.
(8) 전압계로 R 1 , R 2 , R 3 에 의한 전압강하 V 1 , V 2 ,및 V 3 를 측정하고 기록한다.
(9) 오옴(Ohm)의 법칙과 키르히호프(Kirchhoff)의 법칙에 의하여 R s , R 1 , R 2 , R 3 의 실험값을 계산하고 기록한다.
(10) R 1 , R 2 , R 3 의 저항을 바꾸어 연결하고, 앞의 과정 ①-⑨를 반복한다.
(11) 색코드의 저항값과 실험 저항값을 비교한다. 실험치와 저항의 코드값은 일치하는가? 오차가 있다면 저항에 표기된 허용오차 범위내에 있는가? 오옴의 법칙과 키르히호프의 법칙은 성립하는가?
B. 병렬회로
[그림3] 병렬회로 (1) [그림3]과 같이 저항을 골라서 연결하고 DC전원 E b 스위치 를 아직 켜지 않는다. (저항을 2개 선택하여도 좋다)(2) 회로의 a 또는 b점에서 키르히호프의 제1법칙을 적용하면
I = I 1 +I 2 +I 3 ——————(9)
폐회로에 대해 키르히호프의 제2법칙을 적용하면
E b = V = V 1 +V 2 +V 3 = IR p ————(10)
(3) R p =E b /I 이고, 병렬연결의 등가저항 R p 는
———–(11)
병렬회로에서는 등가저항이 연결된 가장작은 분기저항값 이하의 저항값이 된다.
(4) E b (=V)의 전압을 대략 10V 이내로 하고, 색코드에 의한 R p 값으로 대략 I를 계산한다.
(예)E b =1.5V, R 1 =1k W R 2 =2k W R 3 =3k W 을 선택했다면 R p =1/(1+1/2+1/3)k W
R p =0.545k W I=1.5V/545 W = 2.75mA
(5) 전류계용 테스터의 전류레인지 선정이 적합한가 확인하고, 계산값을 결과보고서 표에 기록한다.
(6) 실험 조교의 허락을 받고, 전원 E b 스위치를 on하고 10V가 되게 조절 손잡이를 돌린다.
(7) 전류계와 전압계를 보면서 서서히 전원 E b (1.5V) 를 켠다.
(8) 전압 E b (=V)와 전류 I를 측정하여 기록하고, R p 를 계산하여 기록한다.
(9) E b 의 스위치를 off 하고 I 1 을 측정하기 위해서 전류계를 R 1 에 직렬로 연결(전류계가 있던 자리는 전선으로 직결)한다.
(10) E b 의 스위치를 on 하고, I 1 을 측정, 기록한다.
(11) I 2 , I 3 를 측정하기 위해 앞의 과정 ⑨-⑩을 반복한다.
(12) R 1 , R 2 , R 3 를 실험값에 의해 계산하고 색코드에 의한 저항값과 비교한다. 병렬회로에 대한 오옴의 법칙과 키르히호프의 법칙은 성립하는가?
5. 참 고
(1) 멀티 테스터 사용법
[결과보고서] 과: 학번: 이름: 실험조: 실험일시: 1. 실험값 및 결과물리량 직렬회로 1 직렬회로 2 이론값 실험값 이론값 실험값 E b E b =V s =1.5V E b =V s =1.5V R 1 R 1 ´ R 2 R 2 ´ R 3 R 3 ´ R s R s ´ I s I s ´ V 1 V 1 ´ V 2 V 2 ´ V 3 V 3 ´ R 1 =_______ Ω R 1 ´ =_______Ω R 2 =_______Ω R 2 ´ =_______Ω R 3 =_______Ω R 3 ´ =_______Ω 물리량 병렬회로 1 병렬회로 2 이론값 실험값 이론값 실험값 E b V p =1.5V V p =1.5V R 1 R 1 ´ R 2 R 2 ´ R 3 R 3 ´ R p R p ´ I 1 I 1 ´ I 2 I 2 ´ I 3 I 3 ´ V 1 V 1 ´ V 2 V 2 ´ V 3 V 3 ´ R 1 =_______Ω R 1 ´ =_______Ω R 2 =_______Ω R 2 ´ =_______Ω R 3 =_______Ω R 3 ´ =_______Ω R p =_______Ω R p ´ =_______Ω 2. 실험값 계산
3. 결과 및 토의
4. 참고문헌
[질 문]1.직렬회로에서 각 저항소자에 대하여 전압과 전류중에서 어느양이 일정한 양이 되는가?
2.병렬회로에서 각 저항소자에대하여 어느양이 일정한 양이 되는가?
3.병렬회로에서 등가저항 R p 는 더 많은 저항을 병렬로 연결함으로써 증가하는가 또는 감소하는가?
4.병렬회로에서 전류계의 내부저항이 이 결과에 대하여 어떠한 영향을 주는가?
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