1. 실험 목적
- 세 가지 공식을 써서 저항에서 소비되는 전력을 구한다.
- 가변저항으로 저항값을 바꾸어 가면서 전력을 측정한다.
- <목적 2>에서 측정한 저항과 전력사이의 관계를 그래프로 그린다.
2. 실험 재료
- 저항: 2.7k[ohm] 1개
- 가변저항: 10k[ohm] 1개
- 전류계: 0~10mA 1개
3. 실험원리
- 직류회로에서의 전력은 전압과 전류의 곱으로 계산된다. 다시말해, P=IV로 표현할 수 있다. 여기서 P는 전력, V는 전압, I는 전류를 의미한다. 또한 직류회로에서의 전압은 일정하게 유지되므로, 전력은 전류에 비례한다는 점을 유념해야 한다. 물리학에서 에너지(energy), 다시 말해 일(work)의 단위는 줄(joule)이다. 1줄은 1뉴턴(newton)의 무게(약 102그램)를 1미터 들어 올리는 데 필요한 에너지와 같다. 전기회로에서 전압은 1쿨롱의 양전하를 전기적 위치(전위)가 높은 곳으로 옮기는 데 필요한 에너지와 같다. 반대로 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 움직이면 양전하는 자기가 가진 에너지를 밖으로 내놓게 된다. P=IV를 옴의 법칙을 적용하면 다음의 두 식을 얻을 수 있다. P=I^2R, P=V^2/R 저항의 실물크기에 따라 저항에서 소비할 수 있는 최대 전력이 달라진다. 다시 말해 저항의 덩치가 클수록 더욱 큰 전력을 소비할 수 있다. 탄소저항이 갖는 표준 전력정격(power rating)값은 1/8W ~ 2W 사이이다. 1k ohm이상의 저항을 15V 이하의 낮은 전압에서 쓰는 경우에는 1/4W의 전력정격을 갖는 저항이면 충분하다. 이번 실험에서 고정저항에서 소비되는 전력을 측정하고 그 다음 가변저항으로 값을 변화시키면서 소비되는 전력이 어떻게 변하는지 알아본다.
4. 실험방법
- R1의 실제 저항값을 측정하여라. 측정값은 k ohm 단위로 기록한다.
- <그림 5-1>의 회로를 꾸며라, 전류계는 직렬로 연결한다.
- DMM을 사용하여 전원전압을 12.0V로 맞춘다. 전류계 양쪽 단자 사이에 걸리는 전압은 아주 작으므로 전원전압은 저항 R1의 두 단자 사이에 거의 다 걸리게 된다. 전압과 전류는 mA 단위로 측정하여 기록한다.
- 저항, 전압, 전류의 측정값을 사용하여 저항 R1에서 소비되는 전력을 계산하고 <표 5-2>에 적혀 있는 세 가지 공식을 이용하고 그 아래 칸에 계산 결과를 적는다. 세 방법으로 같은 결과를 얻을 수 있는지 확인한다.
- <그림 5-2>와 같이 10k[ohm] 가변 저항을 저항 R1과 직렬로 연결하여라. 10k[ohm] 가변저항은 R2이다. 전위차계의 가운데 단자를 양끝의 두 단자 중 하나와 연결하여라. 이렇게 연결하면 전위차계를 가변저항으로 쓸 수 있다. 이렇게 연결하면 측정하기 전에 반드시 전원공급기를 회로에서 떼어낸다.
- 저항 R1과 R2의 양쪽 단자 사이에 걸리는 전압 V1과 V2를 측정하여 <표5-3>에 기록하여라. 이때 V1과 V2를 더한 값이 12.0V가 되는지 확인하여라. 아래 식을 사용하여 R2에서 소비되는 전력을 계산하고 <표5-3>에 기록한다. P2=(V_2)^2/R2 여기서 저항값을 k[ohm]단위로 하여 계산하면 전력은 mW단위로 나온다.
- 전원공급기를 회로에서 떼어내고 저항 R2값을 <표5-3>의 두 번째 저항값으로 맞춘다. 다시 전원공급기를 연결하고 <순서6>의 측정을 되풀이한다. 이상의 과정을<표5-3>의 나머지 저항값에 대해 되풀이한다.
- <표5-3>의 데이터를 써서 저항 R2값과 전력 P2의 함수관계를 <도면5-1>에 그래프로 그려라. 저항값을 x축으로 하고 전력을 y축으로 하여라. 저항값이 없을때(0ohm)에는 전력값이 0W가 되므로 이 점을 그래프에 표시하면 원점을 지나는 그래프를 그릴 수 있다.
5.회로 도면 설계
6. 전압, 전류, 전력을 비유를 통해 비교 설명
- 전압은 높이 차이와 비슷합니다. 예를 들어, 두 개의 폭포가 있다고 가정하면 폭포1이 폭포2보다 높이가 높다면, 그 사이의 높이 차이는 물이 더 빠르게 흐릅니다. 마찬가지로 전압 차이가 있는 전기 회로에서 전자는 전압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하며, 전기가 흐릅니다. 전류는 물의 흐름과 비슷합니다. 물이 강을 따라 흐르는 것처럼 전류도 전기 회로를 따라 흐르며, 회로에서의 전류는 회로를 통해 전달되는 전자의 양과 같습니다. 전력은 물이 물바닥으로 떨어지는 것과 비슷합니다. 높은 곳에서 물이 떨어지면 더 많은 일을 할 수 있습니다. 이와 마찬가지로 전압과 전류가 모두 높은 경우 전력은 더 높아지며, 회로에서 일종의 일을 하게 됩니다. 이러한 비유를 통해 전압은 높이 차이, 전류는 물의 흐름, 전력은 높은 곳에서 떨어지는 물과 같은 개념입니다.
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