이 대단원을 배우고 나면`! 1. 직류 회로의 기초에 대하여 알 수 있다. 2. 전기와 자기의 관계에 대하여 알 수 있다. 3. 교류 회로의 기초에 대하여 알 수 있다. 4. 전기와 전자를 측정하는 방법을 알 수 있다.
전기 이론
1. 직류 회로 2. 전기와 자기 3. 교류 회로 4. 전기・전자 측정Ⅰ
전기는 우리 생활을 매우 편리하게 하여 준다. 이 단원에서 는 전기에 관한 기본적인 이론에 대하여 배우기로 한다. 생각 열기 │ 이 단원을 배우기 전에 다음의 질문에 대하여 간단히 쓰고 발표해 보자. ① 전기가 없던 과거에 우리 조상의 생활은 어떠했을까? ② 아직도 전기를 사용하지 못하는 후진국의 생활은 어떠 할까? ③ 만일 지금 전기가 없어진다면 우리 생활에 어떠한 변화 가 생길까?
직류 회로
1. 전기의 역사를 알 수 있다. 2. 전류와 전압에 대한 기본 개념을 익힐 수 있다. 3. 옴의 법칙을 설명할 수 있다. 4. 저항의 접속 방법을 알 수 있다. 5. 직류 회로에서 전력과 전력량을 계산할 수 있다. 전기의 역사 전류와 전압 옴의 법칙 저항의 접속 전력과 전력량1
학습 목표 │ 나는 앞으로 자주 만나게 될 ‘번돌이’ 라고 해`! 그렇지만 전기를 눈으로 볼 수 있는 방법도 있어. 어쨌든 전기는 생활과 산업의 모든 분야에서 기초이니까 잘 배워 보자`! 자, 함께 출발`! 그래, 나는‘번순이’ 라고 해`! 전기는 보이지 않아서 어렵지.호박(amber) 1. 직류 회로 9 땅에서 나는 광물질로 장신 구에 사용됨. 탈레스(Thales) 탈레스는 그리스 최초의 철 학자로서, 기원전 624년에 서 546년까지 활동하였다. 그리스 식민지였던 터키 반 도의 밀레투스에서 출생하 였다. 그는 자석이 금속을 끌어당기는 현상을 발견하 였고, 만물의 근원을 추구한 철학의 창시자이다. 그림Ⅰ-1 1887년에 우리나라 궁궐에 전기가 처음 들어온 모습
1.
탈레스
전기를 처음 발견한 것은 기원전 600년경 그리스의 철학자인 탈레스 (Thales)이다. 그는 호박이라는 광물질을 양털에 문지른 후, 가벼운 종 이를 당기는 현상을 발견하였다. 이를 마찰 전기라고 한다.2.
우리나라의 전기 역사
우리나라에 처음으로 전기가 들어온 것은 1887년이다. 에디슨이 백열 전구를 발명한 지 8년 만의 일이다. 경복궁의 향원정 연못가에 설치된 발 전 설비를 사용하여, 16와트 750개를 켤 수 있는 규모였다. 석탄을 연료 로 발전기를 돌렸으며, 이는 그 당시 동양 최대의 전기 설비였다.(그림Ⅰ-1)3.
전기 역사와 과학자
전기에 관한 연구가 시작된 것은 16세기부터이다. 영국의 길버트 (Gilbert)가 전기와 자기에 관한 실험을 시작하면서부터 비로소 과학적 인 연구가 시작되었다. 표 Ⅰ-1은 전기의 역사와 관련된 과학 기술자를 나타낸 것이다.전기의 역사
전기를 발견한 과학자와 전기의 역사에 대하여 배운다.1
장마철에는 천둥과 벼락이 자주 발생한다. 전기 성질을 띠는 낙뢰(벼락)는 왜 발생하는지 알아 보자. 알아보기 1그림 Ⅰ-2 물질, 원자, 전자
1.
전자
전기를 흐르게 하는 근원은 전자이다. 전자는 모든 물질의 원자 속에 있으며, 그림 Ⅰ-2는 이를 나타낸 것이다. 모든 물질은 분자로 되어 있 고, 분자는 원자로 되어 있다. 그림 Ⅰ-3은 원자의 구조를 나타낸 것이다. 원자(atom)는 원자핵전류와 전압
전자의 흐름인 전류와 전압의 관계를 배운다.2
물 질 분자 원자 분자 중성자 원자핵 원자 양성자 전 자 표 Ⅰ-1 전기와 자기의 주요 과학 기술자 쿨롱(Coulomb) 1736~1806 쿨롱의 법칙 쿨롬`[C] 와트(Watt) 1736~1819 증기 기관 발명, 전력 와트`[W] 볼타(Volta) 1745~1827 볼타 전지 발명 볼트`[V] 앙페르(Ampere) 1775~1836 솔레노이드 발명, 전류 암페어`[A] 가우스(Gauss) 1777~1855 전속에 대한 발산 정리 가우스`[G] 외르스텟(Oersted) 1777~1851 나침반 원리 외르스텟`[Oe] 옴(Ohm) 1787~1854 옴의 법칙을 정립 옴`[Ω] 패러데이(Faraday) 1791~1867 전자 유도 현상 패럿`[F] 헨리(Henry) 1797~1878 전자 유도 실험 헨리`[H] 웨버(Weber) 1804~1891 자속의 단위 웨버`[Wb] 줄(Joule) 1818~1889 줄의 법칙 줄`[J] 맥스웰(Maxwell) 1831~1879 전자기학 이론 맥스웰`[Mx] 에디슨(Edison) 1847~1931 백열전구 발명, 최초의 발전소 테슬라(Tesla) 1857~1943 유도 전동기 발명 테슬라`[T] 헤르츠(Hertz) 1857~1894 라디오 전파의 송수신 헤르츠`[Hz] 마르코니(Marconi) 1874~1937 대서양 횡단 라디오 신호 전송 이 름 활동 기간 업 적 단 위 탈레스(Thales) B.C. 624~546 전기의 최초 발견 길버트(Gilbert) 1544~1603 지구는 하나의 자석임을 발견 길버트`[Gb] 뉴턴(Newton) 1642~1727 운동 법칙과 만유인력 발견 뉴턴`[N] 프랭클린(Franklin) 1706~1790 전하의 보존 법칙 발견 ` 전기량 단위: [C] 전기량의 단위로서 쿨롬 (Coulomb)으로 읽는다.1. 직류 회로 11 (atomic nucleus)과 전자(electron)로 되어 있다. 원자핵 안에는 양(+)의
전기를 가진 양성자(proton)와 전기가 없는 중성자(neutron)로 되어 있다. 전자는 음(-)의 전기를 가지고 있다. 전자 한 개가 가지는 전기량은 -1.602_10- 1 9 [C]이다.
2.
전류와 전자
구리 등과 같은 금속 도체는 전기가 잘 흐른다. 이는 구리 내에서 전자 가 쉽게 이동을 할 수 있기 때문이다. 그림 Ⅰ-5와 같이 전지, 도선, 전구가 연결된 전기 회로를 생각해 보 자. 일반적으로 전지의 양(+)극으로부터 전구를 거쳐 전지의 음(-)극으 그림 Ⅰ-4 전자의 크기 (a) 입체 모형 (b) 평면 모형 전자의 크기는 얼마나 작은가? 1전자의 크기는 지름이 약 10-10[m] 정도이다. 2지구와 골프공의 지름 비율은 골프공과 전자의 비율과 같다. ：≒
： 쉬 어 가 기 그림 Ⅰ-3 원자의 구조 골프공 전자그림 Ⅰ-5 전자의 이동과 전류의 방향 로 전류가 흐른다고 말한다. 그러나 실제로 도선 속을 들여다보면 전지의 음(-)극으로부터 전구를 거쳐 전지의 양(+)극으로 전자가 이동한다. 이와 같이 전자의 이동 방향과 전류의 흐르는 방향은 반대로 정해 놓은 것이다. 즉, 전류란 전자의 흐름이라고 할 수 있다.
3.
전류의 크기
전류란 전자의 흐름이라고 하였는데, 전자는 음(-) 전기를 가지고 있 다. 여기서 전자가 가지고 있는 전기를 전하(電荷)라고 한다. 전하의 기호 는 Q이고, 단위는 `[C]를 사용하며 쿨롬이라고 읽는다. 전하의 단위는 쿨 롱의 이름에서 유래한 것이다. 어떤 도선의 단면을 1 [초] 동안에 1 [C]의 전하가 통과하였을 때 흐른 전류를 1 [A]로 정한 것이다. 만일, 어느 도선의 단면을 t [초] 동안에 Q [C]의 전하가 통과하였을 때 흐른 전류의 크기 I [A]는 다음과 같이 된다. I=:t:Q [A] ……… (Ⅰ-1) 구리 도선의 단면을 2`[초] 동안에 8`[C]의 전하가 이동하였다고 한다. 이 때, 도선에 흐른 전류의 크기는 몇` [A]인가? 풀이│t=2 [초]이고, Q=8 [C]이므로, 본문의 공식 (Ⅰ-1)에 대입하여 I를 구하면 된다. I=:t:Q= :2*:=4 [A] 예제1
전류(current) 전자의 흐름 전하(charge) 전자는 음(－)전하를 가지고, 양이온은 양(＋)전하를 가짐. 쿨롱(Coulomb, C. A. : 1736~1806년) 쿨롱은 프랑스에서 태어나 서, 프랑스 왕립 대학을 다 녔다. 그는 전기 자기학 분 야를 연구한 물리학자, 전기 학자, 토목 공학자이다. 쿨 롱의 법칙을 발표하였다.1. 직류 회로 13
4.
전압
전압(voltage)은 다른 말로 전위차(electric potential difference)라고 도 한다. 전압을 이해하기 위해서 수압으로 설명하면 쉬운데, 전기적인 압력을 물의 압력으로 비유하는 것이다. 그림 Ⅰ-6 (a)에서 A와 B의 두 개 물통 사이에는 수위차가 없으므로 파이프에 물이 흐르지 못한다. 이는 오른쪽 그림에서 전위차가 없기 때 문에 전류가 흐르지 못하는 것과 같은 이치이다. 그림 Ⅰ-6 (b)에서 C와 D의 물통 사이에는 수위차가 있기 때문에 파이 프에 물이 흐를 수 있다. 이는 오른쪽 그림에서 전위차가 있기 때문에 전 류가 흐르는 것과 같은 이치이다. 수위차 = 수압 전위차 = 전압 그림 Ⅰ-6 수압과 전압의 비교 과일로 전기를 만들 수 있을까? 그림 Ⅰ-7에서와 같이 과일에 도선을 꽂고 꼬마 전구를 연결 하면 불이 들어올까? 들어온다 면 왜 그럴까?
1
그림 Ⅰ-7 과일 전지 (a) (b)그림 Ⅰ-8 전기 회로
1.
전기 회로
그림 Ⅰ-8 (a)와 같이 회로를 구성하여 스위치를 닫으면 전구에 불이 켜진다. 이는 건전지의 전압에 의하여 도선에 전류가 흘렀다는 증거이 다. 이때, 전류가 흐르는 통로를 전기 회로(electric circuit) 또는 줄여 서 회로라고 한다. 그림 Ⅰ-8 (b)는 이러한 실체도를 KS에 의하여 그린 것이며, 회로도 라고 한다. 전기 회로에서 전원(source)이란 전기를 공급하는 것으로 전지를 말 하며, 부하(load)란 전기가 소비되는 것으로 전구 등을 말한다. (a) 실체도 (b) 회로도2.
저항
전기 회로에서 전기의 흐름을 방해하는 작용을 하는 소자를 저항 (resistance) 또는 전기 저항이라 한다. 저항의 기호는 R이고, 단위는 옴(ohm)으로서 [X]을 사용한다. 우선, 전기 저항에 대하여 배우기로 한다. 그림 Ⅰ-9와 같은 금속 도체 의 전기 저항을 구하는 방법을 알아본다. 만일, 도체의 길이가 l [m]이고, 단면적이 A [㎡]라고 하면, 도체의 전 기 저항 R는 식 Ⅰ-2와 같이 나타낸다.옴의 법칙
전압, 전류, 저항의 관계를 나타내는 기본 공식인 옴의 법칙을 배운다.3
KS 한국 산업 표준이며, Korean Industrial Standards의 약 자이다. 옴(Ohm, G. S.`:``1787~ 1854년) 옴은 독일에서 태어났으며, 에어랑게 대학에서 물리학 과 수학을 공부하였다. 중학 교 및 고등학교에서 물리와 수학 교사를 지내기도 하였 다. 1827년에 옴의 법칙을 발표하는 등 전기 분야의 많은 업적을 남겼으며, 그 후 영국 왕립 학회에서 상 을 받기도 하였다.1. 직류 회로 15 R=ρ`:aL: [X] ………(Ⅰ-2) 결국, 전기 저항이란 도체의 길이 l[m]에 비례하고, 도체의 단면적 A[㎡]에 반비례한다. 식 Ⅰ-2에서 비례 상수 ρ를 고유 저항 또는 저항률 이라고 한다. 이 저항률의 크기는 재료의 종류에 따라 값이 다르다. 저항 을 가진 부품을 저항기(resistor)라고 한다. 그림 Ⅰ-10은 전기 전자 회 로 등에 널리 사용되고 있는 저항기의 모양이다. 그림 Ⅰ-9 도체의 전기 저항 그림 Ⅰ-11 전기 기기 기판의 저항기 사 용 예 그림 Ⅰ-10 여러 가지 저항기 전기 기기에서 저항기가 사용되는 곳은? 그림 Ⅰ-11과 같이 전기 기기에 사용되는 전자 부품은 매우 많다. 저항 기와 다른 부품을 찾아낼 수 있는가?
2
X X (a) 고정 저항기 (b) 권선 저항기 (c) 가변 저항기 고유 저항 ρ 고유 저항은 로(rho)라고 읽 는다.표 Ⅰ-2 전기의 각종 기호
3.
옴의 법칙
앞에서는 전기의 가장 기본이 되는 3요소인 전압, 전류, 저항에 대하여 알아보았다. 이들 용어를 정리하여 표 Ⅰ-2에 나타내었다. 그림 Ⅰ-12는 간단한 전기 회로를 나타낸 것이다. 저항이 R [X]인 꼬 마전구에 전압이 V [V]인 건전지를 전선으로 연결하였다. 이때, 회로에 흐르는 전류의 크기는 다음과 같다. I= :rV: [A] ………(Ⅰ-3) 이 식을 옴의 법칙(Ohm’s law)이라 하는데, 즉, 전기 회로에 흐르는 전류 I는 전압 V에 비례하고 저항 R에 반비례한다는 것을 나타낸다. 용어 기호 단위 단위 읽기 심벌 전압 V [V] 볼트 (volt) 전류 I [A] 암페어 (ampere) 저항 R [X] 옴 (ohm) 그림 Ⅰ-12 회로와 옴의 법칙 그림``Ⅰ-12의 회로에서 9`[V]의 건전지를 연결하였을 때, 2`[A]의 전류가 흘렀다. 이때 전구의 저항은 몇 [X]인가? 풀이│V=9 [V], I=2 [A]이며, 식 (Ⅰ-3)으로부터 R를 구할 수 있 다. R= :iV:=:2(:=4.5[X] 예제2
X X ▶ (a) 실체도 (b) 회로도1. 직류 회로 17
1.
직렬 접속
그림 Ⅰ-13 (a)는 저항 2개를 직렬로 접속한 모양을 나타낸 것이다. 그 림 (b)는 KS에 의하여 저항을 기호로 나타낸 것이다. 저항의 직렬 접속 회로에서는 2개의 저항에 흐르는 전류의 값이 같다. 각각의 저항값 R¡, R™를 합친 합성 저항(combined resistance) Rº 는 다음과 같다. Rº=R¡+R™ [X]……… (Ⅰ-4)2.
병렬 접속
그림 Ⅰ-14 (a)는 저항 두 개를 병렬로 접속한 모양을 나타낸 것이다. 그림 (b)는 KS에 따라 저항을 기호로 나타낸 것이다. 저항의 병렬 접속 회로에서는 2개의 저항에 걸리는 전압의 크기가 같다. 병렬 접속 회로를 그릴 때는 2개의 저항이 접속되는 곳에 점으로 나타낸다. 합성 저항은 다 음 식과 같다. :rº!: =:r¡!: + :r™!: [X] ……… (Ⅰ-5) 그림 Ⅰ-13 저항의 직렬 접속 그림 Ⅰ-14 저항의 병렬 접속저항의 접속
저항의 직렬 접속, 병렬 접속의 특징을 배운다.4
R¡ R™ R¡ R™ R¡ R¡ R™ R™ (a) 모양 (b) 기호 (a) 모양 (b) 기호그림 Ⅰ-15 병렬 접속 예
1.
전력
직류 회로이든 교류 회로이든 전압을 가하게 되면 부하에서 전기가 소 비된다. 즉, 백열 전구나 형광등에서 전기가 소비되면 빛으로 에너지가 나타난다. 이와 같이 전기 에너지가 다른 형태의 에너지로 바뀌어 수행한 일을 전 력(electric power)이라고 한다. 전력의 기호는 P, 단위는 [W]를 사용하며, 와트(watt)로 읽는다. 전력 P는 전압 V와 전류 I의 곱으로 나타낸다. P=VI[W] ……… (Ⅰ-6) 저항의 병렬 접속 회로 해석 그림 Ⅰ-15 (a)와 같이 저항 두 개가 건전지와 연결된 경우는 병렬 접 속에 해당한다. 그림 (b)는 KS 기호에 의하여 병렬 접속 회로도를 나타낸 것이다. (a) (b) 위의 회로에서 각각의 저항에는 0.5`[A]의 전류가 흐르는데, 그 이유를 알아보자.3
전력과 전력량
전기가 소비될 때의 전력을 구해 보고, 전력량도 구해 보자.5
X X X X 전력 P P=VI I=:vP: V=:i P:1. 직류 회로 19
2.
전력량
전력량은 전력과 시간의 곱이다. 전력량의 기호는 W이고, 단위는 [Wh]를 사용하며, 와트시(watt-hour)로 읽는다. 즉, 전기 기기를 사용 할 때 사용한 시간이 길어질수록 전력량이 커지는 것을 말한다. 따라서, 전력량 W는 전력 P와 시간 t의 곱으로 나타낸다. W=Pt [Wh] ………(Ⅰ-7) 그림 Ⅰ-16 전력 크기의 예 그림 Ⅰ-17 에어컨의 전력량 표시 에어컨의 전력량 그림 Ⅰ-17은 가정용 소형 에어컨에 붙어 있 는 표시(label)를 나타낸 것이다. 월간 소비 전력 량이 527.7`[kWh]로 써 있는 것을 알 수 있다.4
가전 기기의 전력 우리가 매일 사용하는 가전 기기의 용량을 나타낸 것이 전력이다. 전력이 클 수록 전기 소비가 큰 것이다. 가전 기기 전력 30 [W] 100 [W] 800 [W] 컴퓨터는 220`[V]의 전압을 사용하고 있다. 사용 시 만일 0.5`[A]의 전류가 흘렀다면, 컴퓨터에서 소비된 전력은 몇 [W]인가? 풀이│V=220 [V], I=0.5 [A]이며, 식 (Ⅰ-6)으로부터 전력 P를 구할 수 있다. P=VI =220×0.5=110 [W] 예제3
전력량 W W=Pt W=VIt 단위 1k(킬로)=1,000그림 Ⅰ-18 전력량계와 전기 요금 고지서 가정, 학교, 빌딩, 공장 등 모든 분야에서 전기를 사용하고 있다. 그런 데 전기를 사용하고 나면 전기 회사에 매달 전기 사용 요금을 내야 한다. 전기 사용 요금은 각 세대마다 부착되어 있는 전력량계(watt-hour meter)의 숫자에 사용 단가를 곱하여 산출하는 것이다. 특히, 전기 사용 량을 한 달 동안 합하여 계산하므로 적산 전력량계라고 부른다. 그림 Ⅰ-18 (a)는 가정용 적산 전력량계이며, 그림 (b)는 전력량의 숫 자에 의하여 부과된 전기 요금 고지서이다. [하나 더 알기] 앞의 그림에서 에너지 소비 효율 등급이 1등급이란 무엇인가? 가정에서 사용하는 형광등의 전력이 20 [W]라고 하자. 4개의 형광등을 하 루에 2시간씩 30일간 사용하면 소비되는 전력량은 몇 [Wh]인가? 풀이│P=20 [W], 개수=4개, t=2 [시간], 일수=30일이므로, 식 (Ⅰ-7)로부터 전력량 W를 구할 수 있다. W=Pt =20×4×2×30 =4800 [Wh]=4.8 [kWh] 예제
4
우리 집에 전력량계는 어디 있는지 살펴보고, 한 달에 전기 요금은 얼마인지 알아보자. 알아보기 2 (a) 적산 전력량계 (b) 전기 요금 고지서 사용 전력량 사용 전압중단원 마무리 21 전기를 최초로 발견한 사람은 그리스의 철학자인 탈레스이다.
1
원자의 구조는 원자핵과 전자로 되어 있고, 원자핵은 양성자와 중성자로 되어 있다. 원자=원자핵+전자2
전자는 음(-)의 전기를 띠고 있으며, 전기량은 -1.602×10-19[C]이다. e=-1.602×10- 1 9 [C]3
전자가 가지고 있는 전기를 전하라고 하며, 전하의 기호는 Q이고 단위는 쿨롬으로서 [C] 이다. Q [C]4
도체의 전기 저항 R는 도체의 길이 l에 비례하고, 도체의 단면적 A에 반비례한다. 그리 고 저항률 또는 고유 저항 ρ에 비례한다. R=ρ`:aL: [X]5
옴의 법칙이란, 전기 회로에 흐르는 전류 I는 전압 V에 비례하고, 저항 R에 반비례하는 법칙이다. I=:rV: [A]6
전력은 전기 에너지가 단위 시간당 하는 일로서, 전력 P는 전압 V와 전류 I의 곱으로 나 타낸다. P=VI [W]7
중단원
마무리
•김진수(2003). 전기 전자 기술. 서울`: 웅보 출판사. •김진수, 조기선, 이덕출(1997). 전기 전자와 생활. 서울`: 웅보 출판사. •김진수, 이덕출(1998). 전기 공학 기초. 서울`: 동일 출판사. •전기박물관 http://www.kepco.co.kr/museum/ •김진수 교수의 홈페이지 •KT정보통신박물관 http://museum.kt.co.kr/ •한국직업능력개발원 http://www.cylearn.re.kr 인용 및 참고 문헌 웹사이트에서 자료 찾기<보기>의 용어를 참고로 하여 괄호 안에 들어갈 알맞은 용어를 적어 보자. (1) 전기를 처음 발견한 사람은 ( )이다. (2) 전류의 흐름을 방해하는 성질을 ( )(이)라 하며, 회로에 전류를 흐르게 하는 근원을 ( )(이)라고 한다. (3) 전기 도체의 저항은 도선의 길이에 ( )한다. (4) 전력은 전압과 ( )의 곱으로 나타내며, 전력량은 전력과 ( )의 곱이다.
1
어떤 도체의 단면을 4`[초] 동안에 10`[C]의 전하가 통과하였다. 이때, 도체에 흐른 전류 는 몇 [A]인가?2
가전 기기에 220``[V]의 교류 전압을 연결하였더니 40``[W]의 전력이 소비되었다. 이때, 가전 기기에 흐른 전류는 몇 [A]인가?5
전자 1개의 전기량은 몇 [C]인가? ① -1.602×10- 1 9 ② 1.602×10- 1 9 ③ 6.33×10- 1 9 ④ 9.100×10- 3 1 ⑤ 1.500×10- 2 73
그림 Ⅰ-19와 같은 저항 접속 회로에서 다음을 구하여라. ⑴ 합성 저항 Rº ⑵ 전류 I ⑶ 단자 전압 V¡, V™, V£4
중단원
연습 문제
전압, 저항, 탈레스, 비례, 반비례, 전류, 시간 보기 그림 Ⅰ-19 X X X 802. 전기와 자기 23
전기와 자기
1. 정전기와 쿨롱의 법칙을 알 수 있다. 2. 자석에 의한 자기 유도 현상을 알 수 있다. 3. 전류와 자기의 상호 작용을 알 수 있다. 정전기 자기 전류와 자기 작용2
학습 목표 │ 저 아파트마다 지붕에 있는 뾰족한 것이 뭐지? 그러게 건물마다 다 있네. 어, 비다`! 앗`! 벼락의 전기가 땅으로 흘러가네? 그래서 안전한 거구나.그림 Ⅰ-20 마찰 전기와 대전 현상
1.
마찰 전기
책받침을 옷에다 여러 번 마찰시킨 뒤에 머리 위에 대면 어떻게 될까? 머리카락이 책받침 쪽으로 서는 것을 볼 수 있다. 왜 이런 현상이 생기는 것일까? 그림 Ⅰ-20과 같이 유리봉을 천으로 문지르면 유리봉에는 음(-)전하 가 생기고, 천에는 양(+)전하가 생긴다. 이와 같이 마찰에 의하여 두 물 체에 전기가 띠게 되는 현상을 대전 현상이라고 한다. 이때, 마찰에 의하 여 생기는 전기를 마찰 전기(frictional electricity)라고 한다. 위의 대전 현상에서 두 물체에 전기를 띠게 되는 것을 대전(elec-trification)이라 하고, 대전된 물체를 대전체라 하며, 대전체가 가지는 전기량을 전하(electric charge)라고 한다. 특히, 대전체 표면에 있는 전하는 정지되어 있으므로 정전기(static electricity)라고 한다.2.
정전 유도
자석의 N극을 금속에 대면 금속은 S극이 된다. 마찬가지로 그림 Ⅰ-21 과 같이 양(+)전하의 도체 A를 대전되지 않은 도체 B에 가까이 하면 도 체 B의 왼쪽에는 음(-)전하가 나타난다. 이러한 현상을 정전 유도정전기
정전기, 콘덴서, 쿨롱의 법칙에 대하여 배운다.1
일상생활 주변에서 마찰 전기에 관련된 것은 다음과 같은 것이 있는데, 각각의 대전 현상을 말 해 보자. - 겨울철의 택시 손잡이, 유조 차량의 쇠사슬, 호텔의 양탄자 등 알아보기 32. 전기와 자기 25 (electrostatic induction)라고 한다.
3.
정전 용량
콘덴서(condenser)는 적은 양의 전하를 저장할 수 있는 부품이다. 그 러므로 콘덴서는 전기 전자 분야의 기기에 매우 널리 사용되고 있으며, 그 종류도 매우 많다. 그림 Ⅰ-22는 콘덴서의 구조를 간단히 나타낸 것이며, 이는 2개의 금 속판 사이에 유전체를 넣은 것이다. 콘덴서의 용량은 전하를 저장할 수 있 는 능력으로 나타내며, 이를 정전 용량(electrostatic capacity)이라고 한다. 정전 용량의 기호는 C, 단위는 패럿(farad)으로 [F]를 사용한다. 그림 Ⅰ-22에서 전극의 면적을 A[㎡], 두 전극 사이의 간격을 d[m], 유전체의 비유전율을 e®이라고 하면, 콘덴서의 정전 용량 C는 다음 식으 로 나타낸다. eºe® C=:::d::A: [F] ………(Ⅰ-8) 여기서, eº는 진공 유전율로 8.854×10-12 [F/m]의 상수값이며, e®은 비 유전율로 유전체의 종류에 의하여 결정되는 상수값이다. 그림 Ⅰ-21 정전 유도 그림 Ⅰ-22 콘덴서의 구조 콘덴서 미국에서는 콘덴서를 커패시 터(capacitor)로 부른다.그림 Ⅰ-23 콘덴서의 기호 그림 Ⅰ-24 각종 콘덴서 그림 Ⅰ-23은 콘덴서의 기호를 나타낸 것이다. 콘덴서의 종류는 크게 고정 콘덴서와 가변 콘덴서로 나눌 수 있다. 고정 콘덴서는 정전 용량 값이 고정된 것이고, 가변 콘덴서는 정전 용량 값을 변화시킬 수 있는 것이다. (a) 고정 콘덴서 (b) 가변 콘덴서 그림 Ⅰ-24는 각종 콘덴서의 모양을 나타낸 것이다. 콘덴서는 작은 크 기의 부품으로 많은 전하를 저장할수록 좋은 부품이다. 실제로 콘덴서의 용량은 매우 작으므로, 마이크로패럿으로 [lF], 또는 피코패럿으로 [pF] 을 사용한다. 라디오에 사용된 콘덴서 그림 Ⅰ-25는 소형 라디오의 내부 모습이다. 이 중에서 콘덴서를 찾아 보자.
5
전해 콘덴서 두 단자의 극성은 (＋)와 (－) 로 정해져 있다. 정전 용량 단위 1[lF]=10— fl [F] 1[pF]=10—⁄ ¤ [F] (a) 세라믹 콘덴서 (b) 마일러 콘덴서 (c) 전해 콘덴서 (d) 전력용 콘덴서2. 전기와 자기 27
4.
쿨롱의 법칙
자석에 N극과 S극이 있듯이, 전하에는 양(+)전하와 음(-)전하가 있다. 같은 전하끼리는 밀어내고 다른 전하끼리는 끌어당긴다. 이와 같이 두 전하 사이에 작용하는 힘을 정전기력(electrostatic force)이라고 한다. 그림 Ⅰ-26의 (a)와 같이 양(+)전하와 음(-)전하를 가까이 두면 서로 당기는 흡인력이 생긴다. 그러나 그림 (b)와 같이 양(+)전하끼리 가까이 두면 서로 밀어내는 반발력이 생긴다. 이러한 현상을 쿨롱이 발견하여 법칙으로 만들었다. (a) 다른 전하 (b) 같은 전하 그림 Ⅰ-27에서 두 개의 전하 Q¡과 Q™ 사이에 발생하는 정전기력 F 는, 두 전하 Q¡과 Q™의 곱에 비례하고, 거리 r의 제곱에 반비례한다. 이 를 정전기에 관한 쿨롱의 법칙이라고 한다. 이때, 힘 F의 방향은 두 전하 가 서로 다른 극성이면 흡인력이 발생하고, 두 전하가 서로 같은 극성이 면 반발력이 발생한다. F=9_10 · _:::Q⁄r 2 ::Q:¤:: [N] ………(Ⅰ-9) 그림 Ⅰ-25 콘덴서의 사용 예 그림 Ⅰ-26 두 전하 사이의 정전기력그림 Ⅰ-27 정전기에 관한 쿨롱의 법칙 그림 Ⅰ-28 전하와 전기력선 여기서, 힘 F의 단위는 뉴턴 [N], 전하 Q의 단위는 쿨롱 [C], 거리 r의 단위는 미터 [m]이다.
5.
전기력선
자석은 주변에 있는 쇠붙이를 끌어당기는 힘이 있음을 알고 있다. 마찬 가지로 전하에 의하여 정전기력이 작용하는 공간을 전기장(electric field)이라고 한다. 전하에서 나오는 선을 전기력선(line of electric force)이라고 한다. 그림 Ⅰ-28 (a)는 전하와 전기력선을 나타낸 것이다. 그림 (b)에서와 같이 전기력선은 양(+)전하에서 나와 음(-)전하로 들어가며, 그림 (c)와 같이 서로 같은 전하끼리는 밀어낸다. 이러한 현상은 뒤에서 배울 자석 과 비슷하다. (a) (b) 2`[μ`C]의 전하와 4`[μ`C]의 전하가 4`[cm]의 거리에 있다. 두 전하 사이에 작용하는 정전기력은 몇 [N]인가? 풀이│Q¡=2 [μ`C], Q™의=4 [μ`C], r=4 [cm]이므로, 식 (Ⅰ-9)로부 터 정전기력을 구할 수 있다. F=9_10 · _:::Q⁄r 2 ::Q:¤:: (2_10—fl )_(4_10—fl ) =9_10·_1111111111 0.04¤ =45 [N] 예제5
전기장 전장, 전계라고도 한다.2. 전기와 자기 29
1.
자기 현상
자석에는 영구 자석과 전자석이 있다. 자석(magnet)은 쇠붙이를 끌 어당기는 성질이 있는데, 이 성질의 근원를 자기(magnetism)라고 한 다. 자석은 항상 N극과 S극으로 두 개의 극이 있는데, 이를 자극 (magnetic pole)이라고 한다. 그림 Ⅰ-29와 같이 자석의 N극 주위에 나침반을 놓으면, 나침반의 S 극이 자석의 N극을 가리킨다. 이러한 현상을 자기 현상이라고 한다. 그림 Ⅰ-29 자기 현상 그림 Ⅰ-30 지구의 자석자기
자기 현상, 자기 유도, 쿨롱의 법칙에 대하여 배운다.2
지구는 커다란 자석 그림 Ⅰ-30에서 지구의 북극 끝은 S극이며, 지구의 남쪽 끝은 N극이 다. 그러므로 나침반의 N극은 지구의 북쪽 방향을 가리키며, 나침반을 보 고 방향을 알 수 있다.6
그림 Ⅰ-31 자기 유도 그림 Ⅰ-32 자석의 자기력선
2.
자기 유도
그림 Ⅰ-31 (a)와 같이 자석 부근에 못을 놓으면 자석에 달라붙는다. 이때, 그림 (b)와 같이 자석의 N극 가까운 못에는 S극이 생기는데, 이러 한 현상을 자기 유도(magnetic induction)라고 한다. 이때, 못도 자기 적 성질을 가지게 되는데, 이러한 현상을 자화(magnetization)라고 하 며, 자화가 되는 물체를 자성체라고 한다. 자석은 주위의 물질에 대하여 자기적인 힘을 미치는데, 이 힘을 자기력 (magnetic force)이라고 하며, 자석의 힘이 미치는 자기력의 공간을 자기장(magnetic field)이라고 한다. 자극이 가지는 자기량을 자하 (magnetic charge)라고 하며, 기호는 m, 단위는 [Wb]이며 웨버 (weber)라고 읽는다. 그림 Ⅰ-32는 말굽 자석과 막대 자석의 N극에서 나와 S극으로 들어가 는 자기력선(line of magnetic force)의 모양이다. 자석의 자기력이 강할수록 자기력선은 멀리까지 갈 수 있다.3.
쿨롱의 법칙
N극과 S극의 자석을 가까이 놓으면 서로 당기는 힘이 발생한다. 이때 두 자극 사이에 작용하는 힘을 나타낸 공식이 자기에 관한 쿨롱의 법칙 (a) (b) (a) 말굽자석 (b) 막대자석 S N S N 자기장 자장 또는 자계라고도 한다.2. 전기와 자기 31 (Coulomb’s law)이다. 그림 Ⅰ-33의 (a)와 같이 N극과 S극의 자하를 m¡, m™라 하고, 거리 r 만큼 떨어져 있을 때, 두 자극 사이에 작용하는 자기력 F는 다음과 같이 된다. F=6.33_10 › _:::M⁄r 2 ::M:¤:: [N] ………(Ⅰ-10) 여기서, 힘 F의 단위는 뉴턴으로 [N], 자하의 단위는 웨버로서 [Wb], 거리 r의 단위는 [m]이다.
1.
앙페르의 오른나사 법칙
그림 Ⅰ-34는 코일에 전류를 흘렸을 때 주변에 생기는 자기장에 의하 여 철가루가 정렬한 모양을 나타낸 것이다. 왜 이러한 현상이 발생할까? 그림 Ⅰ-33 자기에 관한 쿨롱의 법칙 (a) (b) 공기 중에서 2×10— › [Wb]의 N극과 4×10— › [Wb]의 S극이 2``[cm]의 거리 에 놓여 있다. 두 자극 사이에 작용하는 자기력은 몇 [N]인가? 풀이│쿨롱의 법칙에 의하여 m¡=2×10—› [Wb], m™=4×10—› [Wb], r=2 [cm]이므로, 식 (Ⅰ-10)으로부터 자기력을 구할 수 있다. F=6.33_10 › _:::M⁄r 2 ::M:¤:: (2_10—› )_(4_10—› ) =6.33_10› _1111111111 0.02¤ =12.66 [N] 예제6
전류와 자기 작용
전류가 흐를 때 발생하는 자기와의 작용에 대하여 배운다.3
m¡[Wb] m™[Wb] r[m] F[N] F[N]앙페르(Ampere, Andre M.`:``1775~1836년) 앙페르는 프랑스에서 태어 난 수학자 및 물리학자이다. 전 류 의 단 위 인 암 페 어 (ampere)는 그의 이름을 따 서 만든 것이다. 전류와 자 기의 유명한 법칙인 앙페르 의 오른나사 법칙을 발표하 였다. 그림 Ⅰ-34 전류에 의한 자기 현상 그림 Ⅰ-35 전류에 의한 자기장의 발생 모습 그림 Ⅰ-36 앙페르의 오른나사 법칙 그림 Ⅰ-35의 (a)와 같이 도선에 전류를 흐르게 하면 주변에 있는 철가 루가 동심원으로 정렬을 한다. 그림 (b)는 도선 주변의 철가루를 상세하 게 나타낸 것이다. 이로써 도선에 전류가 흐르게 되면 주변에 자기장이 발생되는 것을 알 수 있다. 이와 같은 현상을 프랑스의 앙페르가 과학적으로 증명하여 정리하였 다. 즉, 그림 Ⅰ-36의 (b)와 같이 오른손을 주먹 쥔 상태에서 그림 (a)의 전류가 흐르는 아래 방향으로 엄지손가락을 향해 보자. 그러면 도선 주 변의 자기력선 방향은 네 손가락의 방향과 일치하게 된다. 이는 그림 (c) 의 오른나사의 회전 방향과 일치하게 된다. 이를 앙페르의 오른나사 법칙 (Amp§re’s right-handed screw rule)이라고 한다.
(a) (b) (a) (b) (c) 앙페르의 오른나사 법칙 앙페르의 오른손 법칙이라고 도 한다.
2. 전기와 자기 33
2.
전자력
우리의 일상생활에서 널리 사용하고 있는 전동기(motor)는 어떠한 원 리에 의하여 회전을 할까? 그림 Ⅰ-37은 전동기의 내부 모습을 나타낸 것이다. 전동기에 전류를 흘리면 자기장이 발생하여 전자력이 생기므로 회전자(rotor)가 회전하게 된다. 전동기의 고정자(stator)는 전자석으로서 N극과 S극을 만들어서 자기장을 발생한다. 그림 Ⅰ-38 (a)와 같이 N극과 S극의 자기장이 B일 때, 도체에 전류 I 를 흘려 주면, 도체에 힘 F가 발생되어 화살표 방향으로 움직이게 된다. 이 힘 F를 전자력(electromagnetic force)이라고 한다. 이때, 그림 그림 Ⅰ-37 전동기의 내부 모습 그림 Ⅰ-38 전자력과 플레밍의 왼손 법 칙 (a) (b) l[m] B그림 Ⅰ-39
전자 유도와 플레밍의 오른 손 법칙
(b)와 같이 전자력 F의 방향을 결정해 주는 것을 플레밍의 왼손 법칙 (Fleming’s left hand rule)이라고 한다. 전동기의 회전 방향은 플레 밍의 왼손 법칙에 의하여 결정된다. 전자력의 크기 F는 다음 식으로 나타낸다. F=BIl`[N] ………(Ⅰ-11) 여기서, B는 자속 밀도로서 단위는 [Wb/㎡], I는 전류로서 단위는 [A], l은 도체의 길이로 단위는 [m]이다.
3.
플레밍의 오른손 법칙
그림 Ⅰ-39 (a)는 N극과 S극의 자기장 내에서 도체를 아래 방향으로 운동시킬 때 도체에 전류 I가 발생하는 것을 검류계를 통하여 확인할 수 있다. 이러한 현상을 전자 유도(electromagnetic induction)라고 한다. 결국, 그림 (b)와 같이 자기장 B 내에서 도체가 F의 방향으로 이동하 면 도체에는 전류 I가 발생한다. 이를 플레밍의 오른손 법칙(Fleming’s right hand rule)이라고 한다. 발전기에서 발전되는 전류의 방향은 플 레밍의 오른손 법칙에 의하여 결정된다.4.
코일과 인덕턴스
생활 주변에서 코일이 사용되는 곳은 변압기, 전동기, 발전기, 스피커, 마이크로폰 등과 같이 매우 많다. 여기서는 코일에 대하여 배우기로 한다. 그림 Ⅰ-40은 여러 가지 코일(coil)을 나타낸 것이다. 코일은 인덕터 (inductor)라고도 한다. (a) (b) 그림 Ⅰ-40 각종 코일 (a) (b) (c)2. 전기와 자기 35 그림 Ⅰ-41과 같이 철심에 코일을 감아 놓고 코일에 흐르는 전류를 변 화시키면 코일에 유도 전압이 발생한다. 그러므로 램프에 불이 켜지게 된다. 이때, 코일에 유도되는 유도 기전력 e의 크기는 다음 식으로 나타 낸다. e=-L::D:tI:D: [V] ………(Ⅰ-12) 여기서, I는 전류로서 [A]이고, t는 시간으로서 [초]이다. L은 코일이 가지는 인덕턴스(inductance)라고 하며, 단위는 헨리(Henry)로서 [H] 이다. 인덕턴스 L 값을 크게 하려면 코일의 감은 횟수를 늘리거나, 철심 에 코일을 감으면 된다. 1 [H]의 인덕턴스란 코일에서 1 [초] 동안에 1 [A]의 전류를 변화시켰을 때 1 [V]의 전압이 유도되는 것을 말한다. 그림 Ⅰ-42는 인덕턴스의 기호를 나타낸 것이다. 그림 Ⅰ-41 유도 전압의 발생 그림 Ⅰ-42 인덕턴스의 기호 D 델타(delta)로 읽으며, 값의 변화를 의미한다.
양(+)전하의 도체 A에 의하여 가까운 도체 B에 전하가 유도되는 것을 정전 유도라고 한다.
1
정전 용량이란 콘덴서에 전하를 저장할 수 있는 능력이다. 정전 용량의 기호는 C, 단위는 패럿(farad)으로 [F]를 사용한다. eºe® C=::d:::A: [F]2
두 개의 전하 Q¡과 Q™ 사이에 발생하는 정전기력 F는, 두 전하 Q¡과 Q™의 곱에 비례하 고, 거리 r의 제곱에 반비례한다. 이를 정전기에 관한 쿨롱의 법칙이라고 한다. F=9_10 · _:::Q⁄r 2 ::Q:¤:: [N]3
N극과 S극의 자석을 가까이 놓으면 서로 당기는 힘을 나타낸 것이 자기에 관한 쿨롱의 법칙이다. F=6.33_10 › _:::M⁄r 2 ::M:¤:: [N]4
전류가 흐르는 아래 방향으로 엄지손가락을 향하면, 도선 주변의 자기력선 방향은 네 손 가락의 방향과 일치하게 된다. 이를 앙페르의 오른나사 법칙이라고 한다.5
자기장이 B일 때, 도체에 전류 I를 흘려 주면, 도체에 힘 F가 발생되어 움직이게 된다. 이 힘 F를 전자력이라고 한다. 이때, 전자력 F의 방향을 결정해 주는 것을 플레밍의 왼 손 법칙이라고 한다. F=BIl`[N]6
자기장 B 내에서 도체가 F 방향으로 이동하면 도체에 전류 I가 발생하는 것을 플레밍의 오른손 법칙이라고 한다.7
1`[H]의 인덕턴스란 코일에서 1`[초] 동안에 1`[A]의 전류를 변화시켰을 때 1`[V]의 전압이 유 도되는 것을 말한다. e=-L::D:tI:D: [V]8
중단원
마무리
•김진수, 이덕출(1998). 전기 공학 기초. 서울`: 동일 출판사. •김진수(2003). 전기 전자 기술. 서울`: 웅보출판사. •전자부품연구원 http://www.keti.re.kr/ 인용 및 참고 문헌 웹사이트에서 자료 찾기중단원 연습 문제 37 <보기>의 용어를 참고로 하여 괄호 안에 들어갈 알맞은 용어를 적어 보자.
1
공기 중에서 4×10— › [Wb]의 N극과 3×10— › [Wb]의 S극이 3`[cm]의 거리에 놓여 있다. 두 자극 사이에 작용하는 자기력은 몇 [N]인가?2
발전기에서 전류가 발생하는 방향을 결정하는 법칙은? ① 플레밍의 왼손 법칙 ② 앙페르의 오른나사 법칙 ③ 쿨롱의 법칙 ④ 플레밍의 오른손 법칙 ⑤ 렌츠의 법칙3
아래 그림의 기호에 대한 명칭을 쓰시오. ⑴ ( ) ⑵ ( ) ⑶ ( ) ⑷ ( )4
콘덴서의 정전 용량이란 무엇인가?5
(1) 대전체가 가지는 전기를 ( )라고 한다. (2) 두 전하 사이에 작용하는 힘을 ( )이라고 하며, 이에 관한 법칙은 ( )이다. (3) 정전 용량의 기호는 ( )이고, 단위는 ( )이다. (4) 전동기의 회전 방향은 ( ) 법칙에 의하여 결정된다. (5) 인덕턴스의 기호는 ( )이고, 단위는 ( )이다.중단원
연습 문제
정전기력, 전하, 옴의 법칙, 쿨롱의 법칙, L, C, [F], [H], 플레밍의 오른손, 플레밍의 왼손 보기 그림 Ⅰ-43 각종 심벌교류 회로
1. 교류 전기의 기초에 대하여 알 수 있다. 2. 단상 교류 회로의 전압, 전류를 알 수 있다. 3. 3상 교류 회로의 전압, 전력을 알 수 있다. 4. 교류 회로의 전력을 알 수 있다. 교류의 기초 단상 교류 회로 3상 교류 회로 교류 전력3
학습 목표 │3. 교류 회로 39
1.
직류와 교류
직류(DC: Direct Current)는 전압 및 전류의 크기와 방향이 일정 하고, 교류(AC: Alternating Current)는 전압 및 전류의 크기와 방 향이 시간에 따라 교대로 바뀌는 것이다. 건전지의 전기는 직류이고, 가 정의 전기는 교류이다. 그림 Ⅰ-44는 오실로스코프로 측정한 직류와 교 류 파형의 예이다.
2.
사인파 교류의 발생
발전기 원리인 플레밍의 오른손 법칙을 앞의 그림 Ⅰ-39에서 배웠다. 우리가 사용하는 교류 전기는 발전소 등의 발전기로 만들 수 있다. 발전 기로 만드는 교류 전기는 사인파(sinusodial wave) 형태를 가지므로 그림 Ⅰ-44 직류와 교류 파형 그림 Ⅰ-45 직류와 교류 기호교류의 기초
직류와 교류, 사인파 교류, 주파수, 실효값에 대하여 배운다.1
(a) 직류 파형 (b) 교류 파형 직류와 교류의 기호(symbol) 오실로스코프 Oscilloscope는 전기의 파 형을 측정하는 계측기이다. 사인파 교류 사인파 교류는 정현파 교류 라고도 한다.그림 Ⅰ-47 사인파 교류의 주기 사인파 교류라고 한다. 그림 Ⅰ-46은 사인파 교류 발생의 원리이다. N극과 S극 사이에서 도 체가 회전을 하게 되면 도체에 전압이 발생된다. 그런데 도체는 360°회 전하므로, 전압의 파형도 2π[rad] 범위 내에서 사인파가 된다.
3.
주파수와 주기
그림 Ⅰ-47과 같이 사인파 교류는 주기적으로 파형이 반복됨을 알 수 있다. 같은 파형이 반복되는 하나의 사이클을 주기(period)라고 한다. 주기의 기호는 T, 단위는 초(second)로서 [s]를 사용한다. 주파수(frequency)는 1초 동안에 반복되는 사이클의 수를 말한다. 주 파수의 기호는 f, 단위는 헤르츠(Hertz)로서 [Hz]를 사용한다. 따라서, 주파수 f와 주기 T의 관계는 다음과 같다. f=::!t: [Hz] ………(Ⅰ-13) T=::!f: [s] ………(Ⅰ-14) 그림 Ⅰ-46 사인파 교류의 발생 원리 (a) (b) (c) (d) (e) 90° 최대값 Em 최대값 Em 180° 전압 시간 180° 360° 0 T p 2p 270° 360° 각도 θ``[V] + 기 전 력 e [V] ↖회전의 방향 헤르츠(Hertz) 주파수 단위로서 종래에는 cps(cycle per second)를 사용하였으나, 지금은 [Hz]를 사용한다.각 나라의 전압과 주파수 표 Ⅰ-3과 같이 각 나라의 전압과 주파수는 다르다.
7
3. 교류 회로 414.
각속도
속도(velocity)란 단위 시간에 직선 상의 두 점 사이를 이동한 거리를 말하며, 단위는 [m/s]를 사용한다. 전기에서는 각속도라는 용어를 사용한다. 각속도(angular velocity) 란 그림 Ⅰ-49와 같이 단위 시간에 원주 상의 두 점 A와 B 사이의 이동 한 각도를 말한다. 각속도의 기호는 오메가(omega)로서 ω를 사용하고, 단위는 [rad/s]를 사용한다. 표 Ⅰ-3 국가별 전압과 주파수 그림 Ⅰ-48 예제 7 국가 주파수 한국 220`[V], 60`[Hz] 미국 120`[V], 60`[Hz] 중국 220`[V], 50`[Hz] 프랑스 230`[V], 50`[Hz] 일본 100`[V], 50, 60`[Hz] 대만 110`[V], 60`[Hz] 그림 Ⅰ-48과 같은 사인파 교류 파형에서 각각의 주파수를 구하시오. 풀이│주파수를 구하는 공식 (Ⅰ-13)으로부터 구할 수 있다. (1) 파형 (a)의 1주기 T=1 [s]이다. f=::!t:=::!1:=1 [Hz] (2) 파형 (b)의 1주기 T=1/4 [s]이 다. f=::!t:=:: !1/4::=4 [Hz] 예제7
(a) (b) 속도와 각속도 속도`: v [m/s] 각속도`: ω[rad/s]그림 Ⅰ-49 각속도 만일, 시간 t [초] 동안에 각도가 h``[rad]만큼 이동한 경우에 각속도 x는 다음과 같이 된다. x`=:t: [rad/s]h ………(Ⅰ-15) 원의 한 바퀴는 360°이며, 2p [rad]이다. 그러므로 교류 파형이 한 바퀴 를 회전하였을 때의 각속도는 다음과 같이 나타낼 수 있다. x`=2pf [rad/s] ………(Ⅰ-16) 이 각속도 x`는 교류 회로에서 매우 많이 사용될 것이다.
5.
위상
두 개 이상의 사인파 교류를 비교하기 위하여는 위상(phase)에 대한 개념을 알아야 한다. 그림 Ⅰ-50 (a)와 같이 두 개의 사인파 교류가 시 간적으로 똑같은 경우에는 동상(in-phase)이라고 한다. 그러나 그림 (b)와 같이 두 개의 파형이 시간적으로 다를 경우에는 위상차(phase difference)가 있다고 한다. 그림 Ⅰ-50 (b)에서 전압 파형 v¡이 v™보다 위상이 앞선다(lead)라고 말하거나, 반대로 v™가 v¡보다 위상이 뒤진다(lag)라고 말할 수 있다. 그 이유는 v¡의 출발점이 v™보다 시간적으로 빠르기 때문이다. 이때 v¡과 v™ 의 위상차는 θ만큼이다. 이를 수식으로 나타내면 다음과 같다. 도수법과 호도법 각도를 표시하는 방법에는 도수법과 호도법이 있다. - 도수법은 원둘레를 360°로 나타낸 것이다. - 호도법은 원둘레를 2π[rad]으로 나타낸 것이다. 표 Ⅰ-4 각도 표시 방법 도수법 0° 30° 45° 60° 90° 180° 270° 360° 호도법 0 :6:p p :4: p :3: p :2: p ::#2: p 2p B A 0 w h [rad] 과 θ [rad]는 라디안(radian)으로 읽고, θ`는 세타(theta)로 읽는 다.3. 교류 회로 43 v¡=Vμsinxt [V] ………(Ⅰ-17) v™=Vμsin(xt-h)[V] G
6.
순시값
사인파 교류 전압의 크기를 표시하는 대표적인 방법으로는 순시값, 최 댓값, 실효값, 평균값의 네 가지가 있다. 그림 Ⅰ-51과 같이 사인파 교류 전압은 매 순간마다 진폭이 다르다. 그러므로 사인파 교류 전압의 크기가 시간마다 바뀌는 값을 순시값 (instantaneous value)이라고 하고, 기호는 v로 나타낸다. v=Vμsinxt [V] ………(Ⅰ-18) 여기서, v는 순시값이고, Vμ은 최댓값이며, x`는 각속도이고, t는 시간 이다.7.
최댓값
최댓값(maximum value)이란 사인파 교류 파형의 순시값에서 진폭 이 최대인 값을 말하며, 이를 그림 Ⅰ-51에 나타낸다. 최댓값의 기호는 Vμ으로 나타낸다. 사인파 교류에서는 양의 최댓값과 음의 최댓값의 크 기는 같고 부호만 다르다. 그림 Ⅰ-50 위상과 위상차 그림 Ⅰ-51 교류의 순시값과 최댓값 (a) 동상인 파형 (b) 위상차가 있는 파형 v v¡ v™ wt wt 0 0 v¡의 출발점 v™의 출발점 위상차 i p p h 2p 2p 2p 0 p ;;;;;;;;;0 p 진폭 진폭은 amplitude인데, x축 을 기준으로 y축으로의 크기 를 말한다.8.
실효값
직류 전압의 파형과 교류 전압의 파형은 그림 Ⅰ-44에서와 같이 다름 을 알았다. 이때, 교류 전압은 시시각각으로 크기가 변하고 있음을 알 수 있다. 그러므로 교류 전압의 크기를 부를 때는 실효값으로 부르고 있다. 우리나라에서 사용하는 220 [V]의 전압은 실효값을 의미하며, 모든 나라 에서 부르는 교류 전압은 실효값을 의미한다. 실효값(effective value)은 최댓값의 1/'2배로 규정하며, 기호는 V 를 사용하고, 다음의 식으로 나타낸다. V=:Vμ:::?0.707Vμ [V] ………(Ⅰ-19) '29.
평균값
사인파 교류의 1주기를 평균하면 0이 된다. 그러므로 교류 전압의 평균 값은 반주기의 평균을 의미한다. 그림 Ⅰ-52는 사인파 교류 전압의 평균값을 나타낸 것이다. 사인파 교 류의 반주기를 평균하면 최댓값의 0.637배가 되며, 평균값(average value)은 Vå 로 나타내며, 다음 식으로 구한다. Vå=::@p:: Vμ?0.637Vμ [V] ………(Ⅰ-20) 우리나라의 학교나 가정 등에서 사용하는 교류 전압은 220[V]이다. 최댓 값은 몇 [V]인가? 풀이│실효값 V=220 [V]이므로, 식 (Ⅰ-19)에서 최댓값 Vμ은 다 음과 같이 구할 수 있다. Vμ="2 V="2 _220=1.414_220 ?311[V] 따라서, 교류 전압의 실효값은 220[V]로 부르지만, 전선에 접 촉되면 311[V]를 만지게 되므로 감전사하는 경우가 있다. 예제8
실효값은 rms값 실효값 V는 rms값으로 나타 내기도 하는데, root mean square의 약자이다.3. 교류 회로 45
1.
저항 R의 교류 회로
그림 Ⅰ-53 (a)와 같이 교류 전압에 저항 R 성분인 전구를 연결하여 사용하는 교류 회로를 생각해 보자. 그림 (b)는 이것을 회로도로 나타낸 것이다. 그림 Ⅰ-52 교류의 평균값 그림 Ⅰ-53 저항 R의 접속도와 회로도 사인파 교류 전압의 4가지 표시 방법 사인파 교류를 표시하는 4가지 방법을 요약 정리하면 다음과 같다.8
표 Ⅰ-5 교류 전압의 표시 방법 전압 기호 크기 순시값 v v=Vμsinxt 최댓값 Vμ Vμ="2V 실효값 V V= :::::Vμ "2 /0.707Vμ 평균값 Vå Vå=::@p:: Vμ?0.637Vμ단상 교류 회로
R, L, C 소자를 단상 교류에 사용할 때의 특징을 배운다.2
(a) 저항 R의 접속도 (b) 회로도 VØ v [V] i [A] R [X]그림 Ⅰ-54 저항 R 회로의 전압, 전류 파 형 및 벡터도 그림 Ⅰ-53 (a)와 같이 저항 R가 접속된 교류 회로를 해석하려면 전 압과 전류를 구하면 된다. 그림 Ⅰ-54 (a)는 저항 R가 접속된 교류 회로에서의 전압과 전류의 파형을 나타낸 것이다. 즉, 전압 v와 전류 i는 위상이 동상이고 크기는 다 르다. 그림 (b)는 그림 (a)의 파형을 실효값으로 계산하여 벡터도로 나 타낸 것이다. 저항 R가 접속된 교류 회로에서 전압과 전류의 크기를 구해 보자. 이 회로에는 교류 전압 v=Vμsinxt를 인가하였으며, 이때 흐르는 전류 i는 다음 식으로 나타낸다.
i=:Vμr:: sinxt [A] ……… (Ⅰ-21) 그림 Ⅰ-54 (b)의 벡터도에서 전류의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다. I=::Vr: [A] ………(Ⅰ-22)
2.
인덕턴스 L의 교류 회로
그림 Ⅰ-55 (a)와 같이 교류 전압에 인덕턴스 L 성분인 코일을 연결 (a) 전압과 전류 파형 (b) 벡터도 그림 Ⅰ-53과 같은 저항 R의 교류 회로에서 전구의 저항이 20`[X]이라 하자. 교류 전압 v=100"2sinxt [V]를 가하였다면, 전구에 흐르는 전류의 실효값은 몇 [A]인가? 풀이│저항 R=20 [X],`전압의 실효값 V=100 [V]이므로, 식`(Ⅰ-22) 에 대입하여 구하면 된다. I=::Vr:= =5 [A] 100 20 예제9
0 0 시간 전류는 전압과 동상이다. v I H VH v i i 2p p 벡터 크기와 방향을 가지는 물리 량이며, I¥와 V¥로 나타낸다. i와I i, v는 순시값이고, I, V는 실효값이다.3. 교류 회로 47 하여 사용하는 교류 회로를 생각해 보자. 그림 (b)는 이것을 회로도로 나타낸 것이다. 그림 Ⅰ-55 (a)와 같이 인덕턴스 L이 접속된 교류 회로 를 해석하려면 전압과 전류를 구하면 된다. 그림 Ⅰ-56 (a)는 인덕턴스 L이 접속된 교류 회로에서의 전압과 전 류의 파형을 나타낸 것이다. 즉, 전압 v보다 전류 i가 90°위상이 늦음을 알 수 있다. 그림 (b)는 그림 (a)의 파형을 실효값으로 계산하여 벡터도 로 나타낸 것이다. 인덕턴스 L이 접속된 교류 회로에서 전압과 전류의 크기를 구해 보자. 이 회로에는 교류 전압 v=Vμsinxt [V]를 가하였으며, 이때 흐르는 전류 i는 다음 식으로 나타낸다.
i=:xÒVμ:: sin(xt-90°)[A] ………(Ⅰ-23) 그림 Ⅰ-56 (b)의 벡터도에서 전류의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다. I=::xÒV:: [A] ………(Ⅰ-24) 그림 Ⅰ-55 인덕턴스 L의 접속도와 회로 도 그림 Ⅰ-56 인덕턴스 L의 전압, 전류 파 형 및 벡터도 (a) 인덕턴스 L의 접속도 (b) 회로도 v i p p 2p ;2; p ;2; [rad] (a) 전압과 전류 파형 (b) 벡터도 i [A] L [H] v [V] p ;;;;;;;;;2 0 VH IH
그림 Ⅰ-57 정전 용량 C의 접속도와 회 로도
3.
정전 용량 C의 교류 회로
그림 Ⅰ-57 (a)와 같이 교류 전압에 정전 용량 C 성분인 콘덴서를 연 결하여 사용하는 교류 회로를 생각해 보자. 그림 (b)는 이것을 회로도로 그린 것이다. 그림 Ⅰ-57 (a)와 같이 정전 용량 C가 접속된 교류 회로 를 해석하려면 전압과 전류를 구하면 된다. 그림 Ⅰ-58 (a)는 정전 용량 C가 접속된 교류 회로에서의 전압과 전 류의 파형을 나타낸 것이다. 즉, 전압 v보다 전류 i가 90°위상이 빠름을 XÒ은 유도 리액턴스 본문의 식 (Ⅰ-23)과 (Ⅰ-24)에서 새로운 기호 XÒ이 등장하였다. XÒ은 유도 리액턴스(inductive reactance)라고 하며, 단위는 저항과 같은 [X] 을 사용하고, 다음과 같이 XÒ값을 구할 수 있다. XÒ=wL=2pfL [X] ………(Ⅰ-25) 이것은 교류 회로에서 코일이 가지는 저항 성분을 의미한다. XÒ은 주파 수 f와 인덕턴스 L에 비례한다.9
그림 Ⅰ-55와 같은 인덕턴스 L의 교류 회로에서 코일의 인덕턴스가 2`[H] 라고 하자. 주파수 60 [Hz], 전압 100`[V]를 가했을 때 다음을 구하여라. ① 코일의 유도 리액턴스 XÒ[X] ② 회로에 흐르는 전류 I [A] 풀이│L=2 [H], f=60 [Hz], V=100 [V]이므로 식 (Ⅰ-25)와 식 (Ⅰ-24)에 각각 대입하여 풀면 된다 ① XÒ=2pfL=2_3.14_60_2?754 [X] ② I=::xÒV::=::!7:!5: )4:?0.15[A] 예제10
(a) 정전 용량 C의 접속도 (b) 회로도 i`[A] C`[F] v`[V]3. 교류 회로 49 알 수 있다. 그림 (b)는 그림 (a)의 파형을 실효값으로 계산하여 벡터도 로 나타낸 것이다. 정전 용량 C가 접속된 교류 회로에서 전압과 전류의 크기를 구해 보 자. 이 회로에는 교류 전압 v=Vμsinxt를 가했으며, 이때 흐르는 전류 i 는 다음 식으로 나타낸다.
i=:VμxÇ:: sin(xt+90°)[A] ………(Ⅰ-26) 그림 Ⅰ-58 (b)의 벡터도에서 전류의 크기는 다음과 같이 구할 수 있다. I=::xÇV: [A] ………(Ⅰ-27) 그림 Ⅰ-58 정전 용량 C의 전압, 전류 파 형 및 벡터도 XÇ는 용량 리액턴스 본문의 식 (Ⅰ-26)과 (Ⅰ-27)에서 새로운 기호 XÇ가 등장하였다. XÇ 는 용량 리액턴스(capacitive reactance)라고 하며, 단위는 저항과 같 은 [X]을 사용하고, 다음과 같이 XÇ값을 구할 수 있다. XÇ=:w::!c:=:2::p :!fc:[X] ………(Ⅰ-28) 이것은 교류 회로에서 콘덴서가 가지는 저항 성분을 의미한다. XÇ는 주파수 f와 정전 용량 C에 반비례한다.
10
그림 Ⅰ-57과 같은 정전 용량 C의 교류 회로에서 콘덴서의 정전 용량이 20`[㎌]이라고 하자. 주파수 60`[Hz], 전압 40`[V]를 가했을 때 다음을 구하 여라. ① 콘덴서의 용량 리액턴스 XÇ [X] ② 회로에 흐르는 전류 I [A] 예제11
p ;2; v v i 0 i p p 2p ;2; [rad] (a) 전압과 전류 파형 (b) 벡터도 0 p ;;;;;;;;;2 IH VH4.
임피던스
이상에서는 R, L, C 부품이 각각 독립적으로 사용될 때 교류 회로에 서의 전압 및 전류 특성을 나타낸 것이다. 그러나 실제로는 교류 회로에 서 R, L, C 성분이 혼합되어 사용된다. 이때, 사용되는 중요한 개념이 임피던스이다. 그림 Ⅰ-59 (a)와 같이 저항 R와 인덕턴스 L이 직렬로 접속된 경우 라면, 전압과 전류의 해석은 어떻게 할까? 저항 R [X]와 유도 리액턴스 XÒ [X]은 모두 전류의 흐름을 방해하는 성 분이다. 그러나 두 성분은 위상이 다르기 때문에 대수합으로 (R+XÒ)과 같이 합하면 안 된다. 전압도 마찬가지로 (V‰+VÒ)로 합하면 안 된다. R, L, C 회로의 요약 이상에서 설명한R, L, C 회로의 특성을 요약하면 다음과 같다.11
기호 저항 또는 전류 I[A] 전압과 전류의 벡터도 리액턴스 위상 관계 R [X] R [X] ::Vr 같은 위상 L [H] XÒ=2pfL [X] ::xV::Ò 전류는 전압보다::2: 뒤진다.p C [F] XÇ=:2::pf!c [X] ::xV::Ç 전류는 전압보다::2: 앞진다.p IH IH IH VH VH VH p ;;;;;;;;;2 p ;;;;;;;;;2 표 Ⅰ-6 R, L, C 회로의 특성 요약 그림 Ⅰ-59 R와 L의 직렬 회로 풀이│C=20[㎌], f=60[Hz], V=40[V]이므로 식 (Ⅰ-28)과 식 (Ⅰ-27)에 각각 대입하여 풀면 된다 1 1 ① XÇ=111=111111111111=132.7[X] 2pfC 2_3.14_60_(20_10—fl ) ② I=::xÇV:= ?0.3 [A] (a) RL 직렬 회로도 (b) 벡터도 VH‰ VH‰ VH Ò VH Ò VH R L IH IH h VH 40 1124132.73. 교류 회로 51 결국, 저항 R [X]와 유도 리액턴스 XÒ [X]의 합을 구하기 위해서는 그 림 Ⅰ-59 (b)와 같이 벡터합으로 구하여야 한다. 이를 임피던스라고 하 며, 임피던스(impedance)의 기호는 Z, 단위는 옴(Ohm)으로 [X]이다. Z=øπR¤ +πXÒ¤ [X] ………(Ⅰ-29) 그리고 전류 I를 다음과 같이 구할 수 있다. V V I=11=111111 [A] ………(Ⅰ-30) Z øπR¤ +πXÒ¤ 또한, 그림 Ⅰ-59 (b)의 벡터도에서 보는 바와 같이 전압 V는 전류 I 보다 θ만큼 위상이 앞서고 있다. 이때, 전압과 전류의 위상차 θ는 다음과 같이 구할 수 있다. h=tan — ⁄ :::VÒ:v‰::=tan — ⁄ :::XÒ:r: [Á ] ………(Ⅰ-31)
1.
단상 교류와 3상 교류
교류에는 단상 교류와 3상 교류 등이 있다. 일반적으로 가정이나 학교 본문의 그림 Ⅰ-59 (a)의 RL 직렬 회로에서, 저항 R=3`[X], 유도 리액 턴스 XÒ=4`[X]이고, 20`[V]의 교류 전압을 가하였을 때 다음을 구하여라. ① 임피던스 Z [X] ② 회로에 흐르는 전류 I [A] ③ 전압과 전류의 위상차 h``[°] 풀이│① R=3[X], XÒ=4[X]을 식 (Ⅰ-29)에 대입한다. Z=øπR¤ +πXÒ¤ =øπ3¤ π+4¤ =5 [X] ② V=20[V], Z=5[X]을 식 (Ⅰ-30)에 대입한다. I=:::Vz:=:::@5:):=4 [A] ③ R=3[X], XÒ=4[X]을 식 (Ⅰ-31)에 대입한다 h=tan — ⁄ :::XÒ:r::=tan— ⁄ ::$3:?53Á 예제12
3상 교류 회로
3상 교류의 기초 개념을 배운다.3
tan— ⁄ 아크 탄젠트(arc tangent)라 고 읽으며, 계산기나 표를 보 면 θ값을 알 수 있다등에서 사용하는 교류 전기는 단상 교류이고, 공장이나 엘리베이터 등에 사용하는 교류 전기는 3상 교류이다. 그림 Ⅰ-60은 단상 교류와 3상 교 류의 사용 예를 나타낸 것이다.
단상 교류(single phase AC)는 기본적으로 전선이 두 줄이며, 접지 선이 있으면 세 줄이 된다. 일반적으로 특별한 언급 없이 교류라고 하면 단상 교류를 의미한다.
3상 교류(three phase AC)는 기본적으로 전선이 세 줄이며, 접지 선이 있으면 네 줄이 된다. 발전소에서 만드는 교류 전기는 대부분이 3상 교류이며, 송전 선로로 송전하는 전기도 3상 교류이다. 3상 교류는 큰 동 력을 필요로 하는 공장 등에 주로 사용된다.
2.
3상 교류 전압
단상 교류 전압은 사인파 교류 파형이 한 개이지만, 3상 교류 전압은 사인파 교류 파형이 3개이다. 그림 Ⅰ-61 (a)는 3상 교류 발전기의 개념도이다. N극과 S극의 자기 장 내에 3개의 회전자 도체가 120°간격으로 배치되어 있다. 이 회전자가 회전하면 3개의 교류 파형이 120°간격으로 발생하는 것이다. 그림 (b) 는 3상 교류 전압의 파형을 나타낸 것이다. 그림 Ⅰ-60 단상 교류와 3상 교류의 사 용 예 그림 Ⅰ-61 3상 교류 전압의 파형 (a) 단상 교류 (b) 3상 교류(송전 선로) (a) 3상 교류 발생 (b) 3상 교류의 파형 0 120° 120° 전압 V 시간 vå v∫ vç p 2p 3p3. 교류 회로 53 그러므로 3상 교류 전압의 순시값 vå, v∫, vç는 아래 식으로 나타낸다. 3개의 전압은 120°의 위상차를 가지고 있다. vå=ø2 Vsinxt [V] v∫=ø2 Vsin(xt-120Á)[V] ………(Ⅰ-32) vç=ø2 Vsin(xt-240Á)[V]
1.
단상 전력
그림 Ⅰ-63은 단상 교류 전압 220 [V]로 동작하는 단상 유도 전동기의 실제 모습을 나타낸 것이다. 전동기의 명판(name plate)을 보면 전동 기의 출력 P, 전압 V, 전류 I, 효율 등이 표시되어 있다. 그림 Ⅰ-62 단상 교류와 3상 교류의 비 교 3상 교류 전압의 이점 3상 교류를 사용하면 이로운 점이 무엇일까? 단상 교류 부하에 전기를 공급하려면 두 가닥의 전선이 필요하다. 그런데 그림 Ⅰ-62와 같이 3상 으로 부하에 전력을 공급하면 3개의 단상으로 각각 전력을 공급하는 것 과 똑같은 전력을 공급할 수 있다. 그러므로 전선의 수를 절반으로 감소 시킬 수 있는 등의 많은 이점이 있다.12
우리 동네 주변을 지나는 3상 교류 전압의 송전 철탑의 전선을 사진 찍어 보고, 전선이 몇 가 닥인지 알아보자. 알아보기 4교류 전력
교류 회로에서 단상 전력과 3상 전력의 개념을 배운다.4
) } 0 명판 전동기의 명판은 전동기의 이름표로서, 전동기의 용량 및 규격 등을 나타낸다.그림 Ⅰ-63 전동기와 명판 단상 교류 전압을 사용하는 전기 기기에서 소비되는 단상 전력 P는 다 음 식으로 나타낸다. P=VIcosθ`[W] ………(Ⅰ-33) 여기서, V는 교류 전압의 실효값, I는 교류 전류의 실효값, cosθ는 전 기 기기의 역률(power factor)이다. 전기 기기의 역률값은 0~1 사이 의 값으로 나타내며, 역률이 클수록 더 좋은 기기이다.
2.
3상 전력
3상 교류 회로의 원리와 이론은 복잡하며, 3상 교류 전압을 사용하는 전기 기기의 3상 전력은 다음 식으로 나타낸다. P=ø3 VIcosθ[W] ………(Ⅰ-34) 단상 유도 전동기를 사용하는 선풍기에 220`[V]를 가하였더니 2[A]의 전 류가 흘렀다. 이 전동기의 역률이 80[%]라면 이 선풍기에서 소비되는 단 상 전력은? 풀이│V=220[V], I=2[A], cosθ=0.8이므로 식 (Ⅰ-33)에 대입하 여 풀면 된다. P=VIcosθ=220×2×0.8=352[W] 예제13
h 세타(theta)로 읽으며, 전압과 전류의 위상차이다.중단원 마무리 55 주파수(frequency)는 1초 동안에 반복되는 사이클의 수를 말한다. 주파수는 f와 주기 T 는 반비례 관계이다. f=::!t: [Hz]
1
각속도(angular velocity)란 단위 시간에 원주 상의 두 점 사이를 이동한 각도를 말한다. x`=2pf [rad/s]2
사인파 교류 전압의 크기가 시간마다 바뀌는 값을 순시값(instantaneous value)이라고 한다. v=Vμsinxt3
최댓값은 순시값에서 진폭이 최대인 값이다.4
실효값(effective value)은 최댓값의 1/'2배이다. V=:Vμ:::?0.707Vμ '25
교류 전압의 평균값은 반주기의 평균을 의미한다. Vå=::@p:: Vμ?0.637Vμ6
저항 R가 접속된 교류 회로에서 전압과 전류는 다음 식으로 나타낸다. i=:Vμr:: sinxt I=::Vr7
정전 용량 C가 접속된 교류 회로에서 전압과 전류는 다음 식으로 나타낸다.i=:xÇVμ:: sin(xt+90°) I=::
V xÇ:
9
저항 R [X]와 유도 리액턴스, XÒ [X]의 임피던스 Z[X]은 다음과 같다. Z=øπR¤ +πXÒ¤ [X]10
인덕턴스 L이 접속된 교류 회로에서 전압과 전류는 다음 식으로 나타낸다.i=:VμxÒ:: sin(xt-90°) I=::
V xÒ::
8
중단원
마무리
•김진수, 이덕출(1998). 전기 공학 기초. 서울`: 동일 출판사. •김진수(2009). 전기 전자 실습. 경기`: 한국학술정보(주). •한국전력공사 http://www.kepco.co.kr/ 인용 및 참고 문헌 웹사이트에서 자료 찾기<보기>의 용어를 참고로 하여 괄호 안에 들어갈 알맞은 용어를 적어 보자.
1
학교나 가정 등에서 사용하는 교류 전압은 220`[V]이다. 최댓값은 몇 [V]인가?2
인덕턴스 L의 교류 회로에서 코일의 인덕턴스가 0.2`[H]라고 하자. 주파수 60`[Hz], 전 압 20[V]를 가하였을 때 다음을 구하여라. ⑴ 유도 리액턴스 XÒ[X] ⑵ 전류 I [A]3
정전 용량 C의 교류 회로에서 콘덴서의 정전 용량이 2`[㎌]이라고 하자. 주파수 60`[Hz], 전압 20[V]를 가했을 때 다음을 구하여라. ⑴ 콘덴서의 용량 리액턴스 XÇ[X] ⑵ 회로에 흐르는 전류 I [A]4
RC 직렬 회로에서, 저항 R=4[X], 용량 리액턴스 XÇ=3[X]이고, 30[V]의 교류 전압 을 가하였을 때 다음을 구하여라. ⑴ 임피던스 Z[X] ⑵ 회로에 흐르는 전류 I[A]5
선풍기에 교류 전압 220[V]를 가하였더니 3[A]의 전류가 흘렀다. 이 전동기의 역률이 90%라면 이 선풍기에서 소비되는 단상 전력은 몇 [W]인가?6
(1) 전압 및 전류의 방향이 일정한 것을 ( )라고 하고, 전압 및 전류의 방향이 시간에 따라 바뀌는 것을 ( )(이)라고 한다. (2) 1초 동안에 반복되는 파형의 사이클의 수를 ( )(이)라고 한다. (3) 사인파 교류의 실효값은 최댓값의 ( )배이다. (4) 콘덴서 교류 회로에서 전압보다 전류의 위상은 90°어떠한가? ( ) (5) 전기 기기의 역률은 클수록 어떠한가? ( ) (6) 3상 교류 전압 파형의 위상차는 몇 도인가? ( °)중단원
연습 문제
AC, DC, 주기, 주파수, 0.707, 0.637, 뒤진다, 앞선다, 좋다, 나쁘다, 90, 120 보기4. 전기・전자 측정 57
전기・전자 측정
1. 전기・전자 측정의 기초에 대하여 알 수 있다. 2. 전압과 전류의 측정 방법을 알 수 있다. 3. 회로 시험기의 사용법을 알 수 있다. 4. 오실로스코프의 사용법을 알 수 있다. 측정의 기초 전압과 전류의 측정 회로 시험기 오실로스코프4
학습 목표 │ 전기는 눈에 안 보이네. 눈으로 볼 수는 없을까? 방법이 있기는 하지. 넌 요술쟁이냐? 그 방법을 알려 줘. 이름이 어려운데, 그건 오실로스코프로 보면 돼. 와, 정말 멋진 전기 파형이구나!표 Ⅰ-7 SI 단위계의 기본 단위
1.
단위계
전기 전자의 물리량을 측정할 때는 여러 가지 계측기를 사용한다. 이를 위해서는 기본적으로 단위(unit)에 대하여 잘 알아야 한다. 단위를 국제 적으로 통일하기 위하여 국제 단위계(International System of Units)인 SI 단위계가 제정되었다. 표 Ⅰ-7은 SI 단위계 중에서 기본 단위 7가지를 나타낸 것이다. 7가지 기본 단위로는 미터 [m], 킬로그램 [kg], 초 [s], 암페어 [A], 캘빈 [K], 칸델라 [cd], 몰 [mol]이다. 다른 단위들은 이 7가지 기본 단위로부터 유 도하여 정의하고 있는 것이다.2.
계기의 눈금판
그림 Ⅰ-64는 계측기에 사용되는 각종 눈금판을 나타낸 것이다. 일반 적으로 계기의 눈금(scale)은 균등 눈금이 많이 사용되지만, 특수한 용 도로는 다른 눈금이 사용되고 있다. 한편, 계기의 지침(pointer)도 사용되는 곳에 따라 칼날형, 활형, 창 형, 솔잎형, 연형 등의 여러 종류가 있다.측정의 기초
계기의 눈금과 지침 등에 대하여 배운다.1
전기 전자 계기판의 눈금판에는 거울이 있다. 그 이유를 알아보자. 알아보기 5 기본량 단위 명칭 기호 길이 미터 m 질량 킬로그램 kg 시간 초 s 전류 암페어 A 온도 캘빈 K 물질량 몰 mol 광도 칸델라 cd4. 전기・전자 측정 59 전기 전자 측정 계기의 눈금판에는 계기의 특성을 나타내는 기호가 표 시되어 있다. 기호를 잘 알아야 계기를 올바르게 사용할 수 있다. 그림 Ⅰ-65는 계기의 모습이며, 오른쪽 그림은 눈금판을 확대하여 상 세하게 나타낸 것이다. 표 Ⅰ-8은 눈금판에 표시된 기호의 의미를 나타 낸 것이다. 표 Ⅰ-8 눈금판의 기호와 의미 그림 Ⅰ-65 눈금판의 각종 기호 그림 Ⅰ-64 계기의 눈금 종류 구분 기호 기호의 의미 - 직류 직류 및 교류 ～ 교류 ～ ～ ～ 3상 교류 ⊥ 수직 사용 방법 ┌┐ 수평 ∠ 경사 계기의 정확도 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 측정값의 각각 허용 오차 가동 코일형 계기 등에 쓰이며, 전 눈금에 걸쳐 눈금 읽기의 정도가 균일하다는 이점이 있다. 여섯 줄의 눈금선과 사선으로 되 어, 한 눈금의 1/5까지 정확히 읽을 수 있다. 0.2급 계기에 쓰인다. 0점 부근에서 눈금선이 좁아져 있 어, 정격의 25% 이하 눈금에서는 오차가 많다. 270도 정도 넓은 각도의 눈금으 로, 배전반용 계기에 쓰인다. 측정 범위가 넓고, 절 연 저항계, 통신 방면 에 쓰인다. 연형 계기의 눈금으로, 공업용 계기에 쓰인다.
![그림 Ⅰ-27 정전기에 관한 쿨롱의 법칙 그림 Ⅰ-28 전하와 전기력선 여기서, 힘 F의 단위는 뉴턴 [N], 전하 Q의 단위는 쿨롱 [C], 거리 r의단위는 미터 [m]이다](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4717701.8727/23.879.252.774.145.654/r.webp)
