우석대학교 에너지전기공학과

창의적 공학설계 입문 (7)

우석대학교 에너지공학과

이우금 교수

2학기 주요 스케줄

 3주차 (9월16일): 팀 구성 및 프로젝트 시작

 6주차 (10월7일): 설계 요약서 제출 및 발표 (PD)

 8주차 (10월21일): 중간시험: A4용지 1장-앞뒤 면에 요약

 10주차 (11월4일): 각 팀 프로젝트 중간 발표 및 중간점검 (PD)

 13주차 (11월25일): 각 팀 보고서 제출 (리포터)

 14주차 (12월2일): 각 팀 프로젝트 결과 발표 (팀장)

 15주차 (12월9일): 기말시험

프로젝트 팀 구성

역할 1팀 2팀 3팀 4팀 5팀 6팀 7팀 팀장 허건욱 박찬엽 김정민 이종석 박성오 신우성 양어진 PD 이동재1 김도연 최용희 박성준 박정욱 조건행 박승연 리포터 최영훈 최휘성 김호찬 윤희원 신희찬2 김근홍 김다은 역할 8팀 9팀 10팀 11팀 12팀 13팀 팀장 장진호 정연성 이상규 김태교 구지완 정연수 PD 서강 박준형 김도균 이현석 신희찬1 화성원 리포터 문종원 이주원 하우렬 정진우 _이동재2 김선관 이효원 _정우석

※ 팀 이름(로고)

 아래 그림처럼 자기장이 존재하는 공간에서 U자형 도선을 회전시키면 전류가 흐

른다.

 이때, 전류의 방향은 ?

자기장내 도선의 회전 시 유도전류의 방향은? (복습)

 교류 발전기의 구조

- 아래그림과 같이 코일의 양 끝에 슬립링을 연결 - 이때, 왼쪽코일 끝은 안쪽 링에 연결하고, 오른쪽 코일 끝은 바깥쪽 링에 연결 - 두 링은 접촉하지 않은 상태이고, 코일을 회전하면 두 링은 각각 중심점을 기준으로 제자리에서 회전함. - 회전하는 두 링에 각각 브러시를 접촉하면 전류의 흐름으로 인해 기전력을 얻음.

교류발전기 (복습)

 교류 발전의 원리

- 자기장이 존재하는 공간에서 코일을 회전시키면 전류가 발생함. - 코일은 회전하면서 자석의 N극과 S극의 자리를 서로 번갈아 지나므로 발생하는 기전력은 교류. - 아래 그림에서 코일을 반 시계방향으로 회전하면, 코일의 위치가 수직일 때, 자기장의 방향과 코일이 움직이는 방향이 나란한 위치에 있으므로 기전력은 발생하지 않는다. - 코일이 반시계 방향으로 회전하면 기전력은 점점 증가하고 90°가 되면 기전력이 가장 크게됨. - 코일이 회전을 계속하여 180°가 되면 기전력은 다시 0이 된다. - 코일이 회전하여 270°위치가 되었을 때 기전력은 최대가 되나 코일의 위치가 S극에서 N극으로 바뀌었으므로 전류의 방향이 바뀜. - 코일이 360°의 위치가 되면 기전력은 다시 0 이되고, 이러한 사이클이 계속 반복되어 아래와 같은 정현파 교류가 발생하게 됨.

 교류 전류

·

_·

·

 직류 발전기의 구조

- 교류 발전기의 슬립 링 대신 아래 그림과 같이 2조각의 정류자편을 연결한다. - 코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 양쪽에 브러시를 접촉시켜 직류전류를 얻음. - 교류발전기에서는 슬립 링에 의해, 직사각형의 코일이 자기장 내에서 회전을 할 때 발생하는 전류는 교류. - 그러나, 슬립 링 대신 아래 그림과 같이 2조각으로 된 정류자편을 사용하면 코일이 회전할 때 정류자편도 따라 돌게 되므로 코일이 자리를 서로 바꾸어도 브러시를 통해 항상 한쪽 방향의 전류만 흐르게 되어 전류방향이 바뀌지 않는 직류가 되는 것이다.

직류발전기

 직류 발전의 원리

- 아래 그림처럼 코일을 반 시계방향으로 회전하면, 코일에 연결된 정류자편도 같은 방향으로 회전 - 이 경우 교류발전 때와는 달리, 정류자편에 연결된 브러시를 통해 흐르는 전류의 방향은 정류자편이 회전하여 자리를 바꾸어도 항상 같은 방향임. - 정류자편의 틈새부분과 브러시의 위치가 일치할 때 기전력은 발생하지 않는다. - 정류자편이 브러시를 지나면 기전력은 점점 증가하여 90°가 될 때 기전력이 가장 크게 발생한 후 점점 줄어 180°가 되면 정류자편의 틈새부분과 브러시의 위치가 다시 일치하여 기전력은 다시 0 이 됨. - 회전이 계속되어 두 번째 정류자편이 브러시를 지나게 될 때도 전류의 방향은 바뀌지 않아 도선의 전류는 계속 한 방향으로 흐르게 되어 직류가 발생됨.

전류와 전기저항

 전류(Current)

- 도선을 따라 전자가 이동할 때 전류가 흐른다 (즉, 전자의 이동에 의해 전류가 흐름) - 왼쪽 그림과 같이 전류는 +극에서 –극으로 흐르는데, 이때 전자의 이동방향은? - 전류: 1초 동안 도선의 단면을 통과하는 전자의 수 - 전류의 단위: ampere (A) - 전하량 (Coulomb): 도선의 단면을 통과하는 전자의 수 (C) 전류 (I) = 전하량 시간 = 𝑞 𝑡

1 (A) =

1 (

𝐶 𝑠𝑒𝑐

)

• 단면을 통과한 전하량이 많을수록 전류의 세기는? - 전류의 세기 𝑉 도 선 전자

 전압 (Voltage)

- 전압 (V) = 전류 (I) × 저항 (R) - 전류가 크거나 저항이 클수록 전압은 높아진다. - 전압의 단위: volt (V)

 저항 (Resistance)

- 저항 (R) = 전압 전류 = 𝑉 𝐼

- 저항은 전압이 높으면 커지고, 전류가 낮으면 적어진다. - 저항의 단위: ohm - 저항은 또한 도선의 길이에 비례하고 도선의 단면적에 반비례한다. • 저항 (R)

∝

길이 단면적 =

ρ

𝑙 𝑎

(ρ= 비저항, 물질의 특성) - 원통형 도선의 단면적은 같고 길이가 2배 늘어나면 저항의 크기는? - 원통형 도선의 길이는 같고 지름이 2배로 늘어나면 저항의 크기는?

기본 물리량의 단위

 질량 (mass)

- 단위: kg

 힘 (force)

- 단위: N (Newton) - Newton의 제2법칙: F = ma - 1 N: 1kg의 물체에 1

m/𝑠

2의 가속도를 줄때 드는 힘

⇒

1

N

= 1

kg

ㆍ

m/𝑠

2 - 1kg의 중력에 의한 힘은? (중력가속도 g: 9.8

m/𝑠

2)

 에너지 또는 일

- 단위: J (Joule) = Nㆍm - 1kg의 물체를 1

m/𝑠

2의 가속도로 1m 움직이는데 사용된 에너지

⇒ 1J = 1kgㆍm/𝑠

2

ㆍm

제6장 단위

1kg 1kg

기본 물리량의 단위 (계속)

 일률 (전력)

- 단위: W (Watt) - 단위 시간당 사용되거나 생산되는 일: W = J/s

 일과 열량(cal)과의 관계

• 1J = 0.239 cal

⇒

1 kWh = 860 kcal (?) • 1J = 1kg의 물체를 1

m/𝑠

2의 가속도로 1m 움직일 때 사용되는 에너지

⇒

1J = 1Nㆍm = 1kgㆍ 𝑚

2

/𝑠

2

 단위환산

• 1kg의 물체를 2

m/𝑠

2의 가속도로 3.5m 움직이는데 드는 에너지를 Joule (J)로 환산하라. 2kgㆍ m/𝑠2 • 200kg의 물체가 3m 낙하할 때 드는 에너지를 Wh와 cal로 환산하라? 1kg 1kg 3.5m

기본 물리량의 단위 (계속)

 평균속력과 평균속도의 차이점

- 단위: m/s - 스칼라량: 크기 (질량, 거리, 일) - 벡터량: 크기 및 방향 (무게, 힘)

 속력 (speed)

 속도 (velocity)

- 스칼라량 - 물체의 빠르기 만을 나타내며 방향성은 없음 - 단위시간당 경로 = 경로 시간 = 𝑚 𝑠

- 벡터량 - 물체의 빠르기와 함께 방향을 나타냄 변위 𝑚

기본 물리량의 단위 (계속)

 경로와 변위의 차이점

- A라는 물체가 어떤 시간에 1의 위치에 있고 어느 정도 시간이 지난 후 2의 위치에 있다면, 이것은 운동이 일어난 것. - 경로 (Distance): 점선을 따라 이동한 경우처럼 물체가 실제로 움직여간 자취의 길이 - 변위 (Displacement): 물체의 이동 경로와는 관계없이 1에서 2로 향한 직선거리 - 다음 중 맞는 것은? 1) 경로는 스칼라, 2) 경로는 벡터, 3) 변위는 스칼라, 4) 변위는 벡터 5) 둘 다 스칼라, 4) 둘 다 벡터

 속력 (speed,

단위시간당 경로) = 경로 시간 = 𝑚 𝑠

 속도 (velocity, =

단위시간당 변위) = 변위 시간 = 𝑚 𝑠 A A 1 2 변위 경로1 경로2

⇒

스칼라량

⇒

벡터량

1) 육상경기 중 100m 직선 트랙을 10초에 달린 선수의 평균속력과 평균속도를 각각 구하라. 평균속력 = ( ) ( ) = ( ) 평균속도 = ( ) ( ) = ( ) 2) 400m 타원형 트랙 1바퀴를 40초에 달린 선수의 평균속력과 평균속도를 각각 구하라. (이 경우, 400m 타원형 트랙의 출발지점과 도착지점은 같음) 평균속력 = ( ) ( ) = ( ) 평균속도 = ( ) ( ) = ( ) 3) 두 대의 자동차가 신호대기 중 파란색 불이 들어오자 한대는 동쪽으로 100km/h로 주행하고 다른 한대는 서쪽으로 100km/h로 주행한 경우, 두 자동차가 갖는 물리량 중에서 같은 것을 고르고 그 이유를 설명하라. (가) 속력 (나) 속도 (다) 속도와 속력