1. 개요
□ 연구의 목적
교통요금 결제시스템, 휴대폰, TV, 라디오 등 무선통신은 현대인의 일상 생활과 아주 밀접하게 관련이 되어 있음에도 불구하고 무선통신의 원리를 잘 알고 있는 경우는 드물다. 따라서 본 연구에서는 무선통신의 원리를 탐구하고 무선통신의 과정을 구현함으로써 다음과 같은 연구 목적을 달성하고자 한다.
가. 전기적인 신호의 합성을 통해 수학교과에서 학습하는 삼각함수의 합성을 시각화 및 청각화하여 수학 수업에 활용될 수 있도록 한다.
나. 무선통신의 원리를 탐구하는 과정에서 물리교과에서의 전자기 유도 및 전자 기파의 발생과 RLC회로에 대해 자연스럽게 학습이 이루어 질 수 있도록 한다.
다. 본 연구를 통해 개발된 무선통신의 모듈을 영재원 수업이나 물리교과 또는 수학 수업에서 활용될 수 있도록 융합과학 프로그램으로 개발한다.
□ 연구의 범위
본 연구에서는 무선통신이 이루어지는 전 과정에 필요한 전자부품이나 장치를 개발하는 것이 아니라, 시중에 이미 제품으로 출시되어 있는 각종 전자기기를 이용하여 일선학교에서 무선통신을 구현하는 것을 목적으로 한다.
따라서 본 연구는 다음과 같이 연구를 한정한다.
가. 무선통신의 효율을 개선하거나 새로운 시스템을 개발하는 것이 아니라, 학생들 이 무선통신이 이루어지는 과정을 경험할 수 있는 알기 쉽고 흥미로운 모듈을 개발하는 것에 중점을 둔다.
나. 오실로스코프나 파형발생기 그리고 이중코일과 같은 완제품 또는 반제품을 유기적으로 결합하여 무선통신의 원리를 보여줄 수 있도록 시스템을 구성한다.
2. 연구 수행 내용
□ 이론적 배경 및 선행 연구
가 . 삼각함수의 합성
삼각함수의 덧셈정리에서
sin sincos cossin
⋯
①sin sincos cossin
⋯
②①
②하면sincos
sin sin
①
②하면cossin
sin sin
이때, A B
A B
를 대입하면,
sinA sinB sin A B
cos A B
sinA sinB cos A B
sin A B
나 . 전자기 유도
자속의 변화가 폐회로에서 전기장을 유도한다는 것으로서, 폐회로에 유도되 는 기전력의 크기를 결정하는 패러데이 법칙과 유도전류의 방향을 제시하는 렌츠의 법칙이 있다. 자기장의 변화가 전기장을 유도할 때 발생한 기전력을 유도 기전력이라 하며, 이로 인해 유도 전류가 흐르게 된다. 유도 전기장은 렌츠 법칙에 따라 그 방향이 결정되며, 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전기장이 발생한다. 기전력의 크기는 시간 당 자속 변화 수에 비례하며, 이 를 수식화하면 다음과 같다.
<그림 1> 전자기 유도
나 . 교류(AC)
<그림 2> 교류의 발생 <그림 3> 교류 전류
전류의 크기와 방향이 계속 변하는 전류를 교류(alternating current, AC)라 한다.
대부분의 교류는 전기장 내에 코일이 회전하면서 발생한다. 이때, 코일 안을 통과 하는 자속이 회전각속도
에 의해 관계되며, 이를 수식화하면 다음과 같다.
cos따라서, 기전력의 값은 를 미분한 값에
을 곱한 값이다. 이때,
로 두면 기전력은 다음과 같다.
sin
sin이 때,
의 최댓값은
가 되며, 이를
으로 한다.다 . 교류 RLC 회로
교류 전원에 저항, 코일, 축전기를 연결할 회로를 교류 RLC회로라고 하는데, 각 소자에 대해 전압과 전류의 위상자를 비교하면 다음과 같다.
⋅
저항(R)에 걸린 전압 : 전류와 위상이 동일하다.⋅
코일(L)에 걸린 전압 : 전류보다 앞선다.
⋅
축전기(C)에 걸린 전압 : 전류보다 늦다.
따라서, 교류 기전력의 순간값
는 다음과 같다.
이 때, 앞서 내린 세 결론을 합해야 하며, 세 경우의 벡터합을 취해야 한다.
,
,
,
의 진폭의 최댓값을 각각
,
,
,
라고 하면
과
의 위상이 반대이므로 다음의 관계가 성립한다.
또, 옴의 법칙에서
,
,
이므로 다음과 같은
관계가 성립한다.
,
이므로 다음과 같은
관계가 성립한다.
이 때, 위 형식을 옴의 법칙과 비교하게 되면,
는 저항에
는 저항에해당한다. RLC 회로에서 나타나는 저항의 성질을 임피던스(impedance)라고 하며, 단위는 옴(
)을 이용한다.
이 때, 유도 리액턴스와 용량 리액턴스의 값이 같을 때, 즉
이될 때 임피던스가 최소가 되어 전류가 가장 잘 흐르게 된다. 이 때의 교류 전원 주파수
를 고유 주파수라고 한다.
를 대입, 정리하면, 고유 주파수는 다음과 같다.
라 . 방송의 전송 과정
1) 안테나를 통한 전파의 송·수신
RLC 회로에 교류가 흐르게 되면, 2차 코일에 연결된 안테나에 있던 전하가 진동하게 된다. 이때, 안테나에서 진동하는 전하는 전기장을 만들고, 이 전기 장은 다시 자기장을 만든다. 이렇게 서로 유도되면서 공간으로 발산하는 전 자기파가 만들어지며, 이를 특히 전파라 한다. 이러한 원리로 방송국에서 다 양한 주파수의 전파를 내보내게 되며, 이를 수신하기 위해서도 마찬가지로 RLC회로가 필요하다. RLC회로 또한 코일과 축전기의 종류에 따른 고유 진 동수 값이 존재하며, 이를 정량화하면 다음과 같다.
따라서, 라디오 내에 설치된 축전기의 전기 용량을 바꾸게 되면 고유 진동수 가 달라지고, 이 진동수와 맞는 방송 주파수를 기호에 맞게 수신할 수 있다.
2) 변조
무선 통신의 상용화를 위해서는 여러 사람이 전송된 신호를 받아야 하며, 또 한 정보의 용이한 저장 및 전달이 가능해야 한다. 따라서 전기 신호를 일정 한 주파수로 만든 교류 신호에 첨가하는 과정을 변조라 한다. 변조에는 크게 AM(Amplitude Modulation)과 FM(Frequency Modulation)으로 나뉜다. AM 의 경우 전기 신호의 세기에 따라 진폭을 바꾸며, 이때 주파수는 일정하다.
한편, FM의 경우 진폭은 일정한 채 주파수를 달리한다. Transmitter의 경우 변조와 함께 신호를 증폭하는 기능을 가진다.
정보를 포함한 파동
매개신호
진폭변조된 신호(AM)
주파수변조된 신호(FM)
<그림 4> 변조신호
□ 연구주제의 선정
일상생활에서 휴대폰이 없는 생활은 상상하기 힘들다. 그러나 조금만 생각해 보면
“휴대폰의 기지국에서 동시에 많은 사람들에게 무선전파를 전송할텐데 어떻게 지정된 사람의 전화기에만 전화벨이 울릴까?” 하는 의문이 쉽게 든다. 이 문제에 대해 친구들과의 대화를 해 보면 대부분의 학생들이 피상적으로만 알고 있거나 아예 모르는 경우도 많아 구체적으로 연구해 볼 가치가 있는 것으로 판단하여 이 주제를 선정하게 되었다.
이 연구를 구체화하기 전에 연구지도 선생님의 지도아래 LED를 이용하여 빛에 음성정보를 담아 송신하고 이를 다시 태양전지를 이용하여 재생하는 실험을 수행 하였다. 이 실험은 우리가 원하는 다양한 방송을 송출하고 수신기에서 그 중 하나 를 선국하는 과정이 없는 단순한 실험이었지만, 음성정보가 소리를 통해서만 전달 될 수 있다고 여기던 우리에게 빛을 통해서도 전달될 수 있다는 것을 일깨워준 의미있고 신기하게만 여겨지는 실험이었다. 또한, 이 실험을 물리수업 시간에 이용한다면 전자기유도에 대해서 쉽게 사실적으로 이해할 수 있고 일상생활과 관련지어 과학에 흥미를 더 느낄 수 있으리라 생각하였다.
□ 연구 방법
본 연구는 연구과정을 다음과 같이 몇 단계로 나누어 수행하였다. 가. 삼각함수의 합과 맥놀이 관찰 (연구장비 사용법)
: 매뉴얼을 이용한 단순한 연구장비의 숙달이 아니라 그 자체를 연구의 한 단계로서 오실로스코프와 파형발생기를 이용하여 삼각함수의 합과 맥놀이 현상을 구현하는 과정에서 오실로스코프와 파형발생기의 사용법을 자연스럽 게 익힐 수 있었다.
나. 가시광을 이용한 무선통신
: MP3음원을 LED와 연결함으로써 LED 빛 속에 음원의 정보가 실리도록 하였 다. 그러나 그 과정에서 MP3에서 나오는 전류가 너무 약해서 LED가 켜지지 않았다. 이를 해결한 자세한 방법은 ‘연구활동 및 과정’에서 설명하겠지만, 이를 통해 우리는 연구에서 팀원들의 의견을 모으는 과정이 얼마나 중요한지 깨달을 수 있었다.
다. 라디오 방송시스템 구현
: MP3 음원과 파형발생기 신호(반송파)를 변조시켜 안테나를 통해 발진시키고, 라디오의 주파수를 파형발생기의 주파수와 일치 시킴으로서 무선통신이 이 루어지도록 하였다. 이 과정에서 안테나를 어떻게 어디에 설치해야 할 지 그리고 단순히 안테나만 설치하면 되는지 문제를 해결하지 못해 울산대학교 명예교수이신 정천석 교수님으로부터 자문을 받아 해결할 수 있었다. 라. 라디오 송신용 Transmitter 제작 및 시연
: 이제까지의 연구를 통해 라디오 방송시스템을 구현하였지만 파형발생기가 없는 학교가 대부분임을 고려하여 AM Transmitter를 제작할 필요성이 제기 되었다. 그러나 이런 전문적인 부분은 우리 팀의 능력으로는 제작이 힘들기 때문에 유니온시스템 신준호 대표의 도움을 받아 제작을 하였으며, 이를 실제 로 시연할 수 있었다.
□ 연구 활동 및 과정 가 . 월별 연구 추진 실적
단계 시기(월) 추진내용
연구준비 2013. 05 - 무선통신 문헌조사
이론학습 2013. 06~07
- 전자기 유도 - 교류회로
- RLC회로와 공진 연구활동
(1단계) 2013. 08 - 오실로스코프, 파형발생기 등 기기 숙달 - 삼각함수의 합과 차 맥놀이 현상 만들기 연구활동
(2단계) 2013. 09 - 가시광을 이용한 무선통신 - 울산영재교육원 투입 연구활동
(3단계) 2013. 10 - 방송시스템(송출․수신) 실험 - 안테나 문제 해결책 고안 마무리 2013. 11 - 보고서 작성
- AM Transmitter 제작 의뢰
나 . 연구비 사용 내역
항목 금액(원) 내역 비고
연구수당 1,000,000 - 200,000원*5월 전문가 자문수당 800,000 - 100,000원*8회
협의회비 380,000 - 정식 및 양식 3회 연구장비 및 재료비 200,000 - 안테나 이론과 실제 외 6종
연구장비 및 재료비 600,000 - 브레드 보드 외 15종
연구장비및 재료비 1,300.000
- 실험용 AM송신기 - 실험용 주파수 카운터 - 안테나 등
5세트 제작 연구과제 추진비 150,000 - 다과구입
연구과제 추진비 100,000 - 사무용품 구입 합계 3,231,300
※2013. 11.23.일까지 사용 내역
다 . 외부전문가 자문 내역
연구활동에서 필요시 자문교수(윤성현 교수)로 부터 이메일 또는 전화통화를 통해 자문을 구하면서 연구를 수행하였고, 방송시스템을 구현하는 과정에서 안테나에 대해서는 그 분야의 권위자이신 정천석(울산대 명예교수, 전기공학과)교수로 부터 지도를 받았으며, 또한 Transmitter의 제작은 인터넷으로 수소문을 하여 신준호 대표(유니온시스템)에게 의뢰를 하였다.
<그림 5> 자문교수 방문지도
자문교수 기간 자문방법 자문내용
윤성현교수
(한국교원대학교) 2013.05~11 이메일, 전화
▷무선통신원리
▷전자기파의 원리
▷공진 정천석 교수
(울산대학교) 2013.10~11 방문, 내교 ▷변조회로
▷안테나 신준호
(유니온시스템) 2013. 11 방문 ▷AM Transmitter 제작
<표 4> 연구자문 내용
가 . 삼각함수의 합과 맥놀이 관찰 (연구장비 사용법)
본 연구를 수행하기 전에 오실로스코프, 파형발생기, 브레드보드, 납땜 등 여러가 지 연구장비에 대한 사용법에 대해 숙지해야 한다. 이를 위해 단순히 매뉴얼을 통해 사용법을 익히는 것보다 삼각함수의 합과 맥놀이라는 과제를 해결하는 과정 에서 자연스럽게 오실로스코프와 파형발생기의 사용법을 익힐 수 있었다. 오실로스코프 한 대에 파형발생기 2대를 아래의 <그림 6>과 같이 연결하고 수학시 간에 학습하는 삼각함수의 합을 시각화하였고, 그 결과 전류를 스피커에 연결하여 소리를 들음으로서 청각화하였다.
1) 실험기구 : 오실로스코프 1대, 파형발생기 2대, 스피커 1대, 연결선
2) 삼각함수의 합과 차
<그림 6> 삼각함수 합과 차 실험장치 <그림 7> CH1(노란)과 CH2(하늘) 신호
<그림 8>두 신호의 합(CH1+CH2,빨강) <그림 9>두 신호의 차(CH1-CH2,빨강)
3) 맥놀이 현상
<그림 10> CH1(200㎐), CH2(207㎐) <그림 11> 200㎐+207㎐ 합성
<그림 12> CH1(200㎐), CH2(214㎐) <그림 13> 200㎐+214㎐ 합성
<그림 14> CH1(200㎐), CH2(221㎐) <그림 15> 200㎐+221㎐ 합성
4) 연구분석
위 그래프에서 알 수 있듯이 <그림 7> ~ <그림 9>는 두 삼각합수의 합과 차이다.
수학시간에 단지 수학으로만 존재하던 삼각함수의 합과 차를 전류를 이용하여 간단하게 구할 수 있고, 또한 시각화 하였다.
<그림 10> ~ <그림 15>은 진폭이 같고 진동수가 다른 두 파형을 합성하여 맥놀이 현상을 관찰할 수 있었다. <그림 11>, <그림 13>, <그림 15>은 기본진동수 200㎐에 서 진동수의 차가 7㎐, 14㎐, 21㎐ 차이인 두 파동을 합성한 것으로 이를 볼 때 진동수의 차가 클수록 맥놀이 진동수의차가 크다는 사실을 곧 바로 알 수 있었다. 이를 수학적으로 전개하면 다음과 같다.
진동수가 인 두 파동 함수를 합성하면,
sin
sin
cos
sin
이다.
여기서
는 포락선의 진동수로서 맥놀이 진동수를 의미하고,
는 각 파동의 평균진동수이다.
나 . 가시광을 이용한 무선통신
: 음성의 전달은 일반적으로 공기를 통해 이루어지기 때문에 다른 방법으로 음성을 전달하는 것에 대해 익숙하지 않다. 본 과정은 가시광을 이용하여 음성을 무선으로 전송되게 하는 시스템으로 학생들이 상당히 흥미를 가진다. 본 탐구를 수행하면서 새롭게 알게 된 현상들을 분석하며 스스로 문제를 발견 하고 해결하는 과정을 통해 과학에 대한 흥미를 가지고 연구역량을 키울 수 있다는 장점이 있었다.
1) 실험기구 : MP3, 이중코일, 스피커, LED, 건전지(2개), 스피커, 태양전지판, 전선(8개), 레일
2) 실험장치
<그림 16> 가시광 무선통신 회로도
<그림 17> 가시광을 무선통신 <그림 18>전지와 음성신호의 합성부
<그림 19>가시광 발광부
( LED ) <그림 20>가시광 수광 및 출력부 (태양전지,스피커)
3) 연구분석
위 그림에서 음성신호의 흐름을 살펴보면 다음과 같다. 가. 음성신호는 이중코일로 흘러들어간다.
나. 이중코일의 1차 코일에 흐르는 전류의 세기가 변함에 따라 1차코일의 자기장의 세기에 변화가 생기고, 이러한 1차코일의 자기장의 변화에 의해 2차코일에 유도전류가 생긴다.(전자기유도, 무선전달)
다. 2차코일에서의 유도기전력이 전지의 유도기전력과 합해져서 LED에 변하는 기전력이 걸린다. 즉 LED 빛의 밝기가 변한다.
라. LED의 빛을 전기신호로 전환하는 태양전지에 의해 음성신호와 같은 전류가 생성된다.
마. 태양전지에 의해 생성된 전류가 스피커로 들어가 소리로 전환된다.
이 과정에서 처음에는 이중코일을 사용하지 않고 MP3와 전지를 바로 연결하였더 니 MP3가 작동하지 않고 망가지는 현상이 발생했다. 그 이유를 조원들이 의논한 결과 전지의 전류가 MP3로 흘러들어가 MP3의 회로가 망가졌다는 결론에 도달하 였다. 이를 해결하기 위해서는 전지의 전류와 음성신호가 합해져야 하지만 MP3로 전지전류가 들어가면 안된다는 결론에 도달하여 그 방법으로 이중코일을 사용하 게 되었다.
무선통신을 구현하는 과정에서 새롭게 알게 된 사실은 태양전지를 스피커와 연결 하면 ‘뿌~~~~’하는 소리가 발생한다는 사실이다. 이것을 처음에는 잡음으로 생각 하였으나 우연히 형광등를 꺼면 소리가 없어진다는 사실을 알게 되었다. 즉 형광등 에 60㎐의 교류전원이 연결되어 있음으로 해서 120㎐의 소리가 발생한다는 사실이 다. 즉 우리의 눈은 잘 감지하지 못하지만 형광등이 120㎐로 밝기가 계속해서 변한다는 사실을 알게 되었다.
또한 LED로 흘러들어가는 전류에는 음성신호라는 변하는 전류가 있음에도 밝기 변화는 우리 눈에 감지되지 않는다. 그에 대해서도 조원들과 다양한 의견을 교류한
결과 두 가지 이유라고 결론을 내릴 수 있었다. 먼저, 전지 전원의 전압에 비해 음성신호의 전압이 아주 약하기 때문에 밝기 변화를 인지하지 못한다는 것이다. 즉, 전지의 전원은 3V정도이지만 우리가 측정한 음성신호의 전압은 0.1V 내외였 다. 두번째로 음성신호의 진동수가 아주 크기 때문에 1초에 고작 20번 내외의 변화만 감지할 수 있는 우리의 시각으로는 그 변화를 알 수 없다는 것이다. 이러한 생각지도 못한 현상을 발견하고 그 이유를 조원들과 토의를 하는 과정에서 연구의 즐거움을 느낄 수 있었다.
다 . 라디오 방송시스템의 구현
: 사전연구에 의한 연구결과를 바탕으로 교실내 방송시스템 즉 방송의 송출과 라디오를 통한 수신에 대한 연구를 수행하였다. 방송을 선국하기 위해서는 방송국을 결정하는 기본주파수 즉 반송파가 필요하다. 그래서 오실로스코프 에서 반송파를 발생시키고, 반송파 신호에 MP3를 이용하여 음성신호를 변조 시킨 후 AM영역의 전자기파 신호를 발진하도록 하였다.
발진된 신호를 라디오에서 파형발생기와 동일한 주파수를 선국함으로써 방송 을 수신한다는 것이 기본적인 원리이다.
이 과정에서 안테나 없이도 아주 약한 신호가 회로 주변에서 감지되었으며 라디오를 통해 음악을 들을 수 있었다. 그러나 이것을 원거리에서 수신하기 위해서는 안테나가 필요한데 안테나를 회로의 어느 부분에 어떻게 설치해야 할 지 그리고 단순히 안테나만 설치하면 되는지가 문제점으로 대두되어 조원 들과 수없이 의견을 개진하고 문헌을 참고하였지만 해결하지 못하였다. 결국 이 문제를 해결하기 위해 여러 경로를 거쳐 울산대학교 명예교수이신 정천석 교수님을 소개 받아 교수님의 도움으로 문제를 해결할 수 있었다.
1) 실험기구 : MP3(카세트), 파형발생기, 이중코일, 라디오, 연결도선 2) 실험장치
<그림 21> 라디오 방송시스템 장치
<그림 22> 무선통신 회로도 <그림 23> 반송파(파형발생기)와 음성신호의 변조장치
3) 연구분석
본 연구는 반송파(파형발생기 신호)와 MP3 신호를 변조하여 방송신호를 발진시키 고 이를 라디오를 통해 수신하는 시스템이이다. 라디오의 주파수와 파형발생기의 주파수가 동일할 때 공진이 일어나므로 방송을 잘 수신할 수 있다.
이 연구를 수행한 결과는 다음과 같다.
① 안테나 없이도 회로에 변하는 전류가 흐르므로 회로 주변에 전자기파가 발생한 다. 라디오를 수신기로 신호를 감지해 본 결과 이중코일 근처에서 주로 신호가 발생함을 알 수 있었다.
② 파형발생기의 주파수와 라디오의 주파수가 일치할 때 가장 깨끗한 음질의 방송을 수신할 수 있었다. 이는 RLC회로의 공진에 의해 설명할 수 있는 사실로 휴대폰에서 동시에 많은 사람들에게 신호를 보내더라도 특정한 사람의 휴대폰 만 울리고 또한 그 사람만 통화가 가능한 이유이다.
③ 이 회로에서 신호를 좀 더 강하게 발진시키기 위해서는 증폭기와 전문적인 변조기가 필요하다. 즉 <그림 21>에 증폭기가 달린 안테나부분이 필요하여 전문적인 업체에 의뢰하여 AM Transmitter for Adjust를 제작하였다.
라 . 라디오 송신용 Transmitter 제작 및 시연
처음 계획에서는 ‘다. 라디오 방송시스템 구축’까지가 목표였지만 앞에서 언급하 였듯이 앞의 연구에서 안테나를 어디에 어떻게 설치해야하는지에 대한 문제가 대두되어 이를 해결하기 위해 정천석 교수의 조언에 의해 전문적인 AM
Transmitter의 제작의 필요성이 대두되었다. 이는 또한 파형발생기가 대부분 중․
고등학교에서 갖추고 있지 않기 때문에 <그림 23>을 하나의 모듈로 제작하는 것이 실용적이라는 의견도 대두되었다.
그러나 AM Transmitter를 우리의 능력으로 제작할 방법이 없어 전문적인 업체를 인터넷을 통해 탐문한 결과 유니온시스템 신준호 대표의 도움을 받아 제작을 하였으며, 이를 실제로 시연할 수 있었다.
1) 실험기구 : MP3(카세트), AM Transmitter, Frequency counter, 라디오
2) 실험장치
<그림 24> 간단한 방송시스템
<그림 25> AM Transmitter를 이용한 변조된 음성신호
<그림 26> AM Transmitter
3) 연구결과
① <그림 25>에서 보듯이 AM Transmitter의 성능이 우수하지 않아 상하 대칭적으 로 완벽하게 변조가 이루어지지는 않았다.
② Transmitter의 주파수와 라디오의 주파수를 일치시켰을 때 MP3에서 송출한 음악을 라디오를 통해 들을 수 있었다.
③ 이 시스템을 교류회로를 학습할 때나 영재교육원에서 무선통신에 대해 과제학 습으로 적절하게 사용할 수 있을 것이다.
3. 연구 결과 및 시사점
□ 연구 결과
1. 삼각함수의 합과 맥놀이 관찰 (연구장비 사용법)
○ 오실로스코프와 파형발생기의 사용법을 익히기 위한 과정으로서 수학을 오실로스코프를 통해 시각화하였고, 전류를 스피커를 통해 소리로 청각화 하였다.
○ 파형발생기와 오실로스코프를 이용하여 맥놀이를 만들어 봄으로써 맥놀이를 정확하게 이해하고 수학적으로 표현할 수 있을 뿐만 아니라 그 결과를 오실로 스코프와 스피커로 통해 시각과 청각으로 확인하는 과정에서 수학과 과학에 대한 흥미를 이끌어 낼 수 있다.
2. 가시광을 이용한 무선통신
○ 소리는 공기를 통해 전달된다는 일반적인 상식을 깨고 가시광을 통해서도 소리를 전달할 수 있음을 알게 되었다.
○ 전지 전류와 음성 전류를 연결하는 과정에서 MP3를 안전하게 사용하기 위해 이중코일을 사용하였는데 이를 통하여 전자기 유도를 자연스럽게 학습 할 수 있었다.
○ LED를 통해서 극성을 지니고 있고, 반응속도가 빠른 반도체의 특성을 알게 되었다.
○ 태양전지에 형광등을 비추었을 때 ‘뿌~~~’소리가 나는 것으로부터 형광등은 밝기가 계속 변하는 사인함수적인 값을 지님을 알게 되었다.
○ 교사가 제시하는 실험형태가 아닌 프로젝터 형의 탐구활동을 전개함으로써 학생들의 연구역량을 향상시킬 수 있는 다양한 해결문제들이 이 활동에 포함 되어 있다.
3. 라디오 방송시스템의 구현
○ 이 단계에서 연구의 주안점은 무선통신이나 라디오의 선국의 원리를 알
수 있도록 하는 것이었는데, 방송을 송출하기 전에 파형발생기로부터 나온 신호를 반송파로 이용함으로써 그 목적을 충분히 달성할 수 있었다.
○ 이 연구 과정에서 전자기파는 반드시 안테나가 없어도 변화는 전류에 의해 코일 주변에서 발생한다는 사실을 확인할 수 있었다.
○ 파형발생기의 주파수와 라디오의 주파수가 일치되었을 때 전자기파 신호와 라디오 회로의 고유진동수가 일치하는 공진이 일어나 방송이 잘 수신되는 원리를 쉽게 이해할 수 있었다.
4. 라디오 송신용 Transmitter 제작 및 시연
○ 일선학교나 영재교육원에서 쉽게 교육용으로 사용할 수 있도록 AM Transmitter를 제작함으로써, 이 변조기에 MP3나 카세트 그리고 마이크를 연결하여 음성신호를 변조하여 신호를 발진할 수 있도록 하였다.
○ 변조가 되기 전의 음성 전류신호와 안테나를 통해 발진하는 변조신호를 오실로스코프를 통해 관찰함으로써 변조의 원리를 탐구할 수 있다.
□ 시사점
○ 본 연구는 새로운 과학적 사실을 밝혀내는 것이 아니라 방송시스템을 교육적 목적으로 사용하고자 하는 것이다. 이러한 측면에서 본 연구는 연구의 목적 을 100% 달성하였다고 할 수 있다.
○ 본 연구에서 개발한 모듈을 물리교과의 전류에 의한 자기장, 전자기 유도, RLC회로, 공진 등 전자기학의 거의 전 부분에서 교재 및 시범실험 자료로 활용할 수 있다.
○ 본 연구의 결과물에서 보듯이 수학 학습에서 삼각함수의 합과 차를 손쉽게 시각화할 수 있고 또한 스피커를 통해 소리를 들음으로써 청각화할 수 있다. 학생들의 학습 효율이 떨어질 때 이 자료를 사용함으로써 수학이 일상생활과 밀접하게 관련되어 있음을 알게하고 학습에 대한 흥미를 제고시킬 수 있을 것이다.
○ 본 연구를 교육에서 100% 활용하기 위해서는 10차시 정도의 시간이 소요될 것이다. 따라서 본 연구 결과물은 영재교육원에서 프로젝터 학습용으로 사용 하면 효과가 더 높을 것이다.
4. 홍보 및 사후 활용
이 연구 결과는 물리분야의 전자기학 수업이나 수학분야에서 삼각함수의 합과 차 단원에서 학생들이 흥미를 이끌어 낼 수 있는 좋은 교재이다. 따라
서 이 연구 결과가 교육현장에서 적극적으로 활용될 수 있도록 다음과 같은 노력을 할 것이다.
○ 영재교육원 수업에서 적극 활용함으로써 이들이 각자 소속학교에서 소 개할 수 있도록 할 것이다.
○ 물리 실험연수 강사로 참여하여 이 연구결과를 새로운 실험으로 소개함 으로써 현장에서 활용도를 높일 수 있도록 노력할 것이다.
○ 연구결과 보고서를 학교 홈페이지에 탑재함으로서 필요시 누구나 접근 할 수 있도록 할 것이다.
5. 참고문헌 및 사이트
○ 김대규 외 3인(2012), HIGH TOP 물리2(2권), 두산동아
○ 물리교재편찬위원회, 대학물리학, 청문각
○ 김보영(2012). 전자부품을 활용하자(Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ), 한진
○ 박대철(2006), 기초전기전자회로 실험, 사이텍미디어
○ http://programfrall.tistory.com/m/post/view/id/39 )
○ http://blog.naver.com/icanfly43?Redirect=Log&logNo=150022070218
○ http://ko.wikipedia.org/wiki/%EA%B5%90%EB%A5%98%ED%9A%8C%
EB%A1%9C)
○ http://cfile4.uf.tistory.com/image/2125203A51D6844918EE04
○ http://en.wikipedia.org/wiki/Amplitude_modulation
○ http://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_modulation
○ http://en.wikipedia.org/wiki/RLC_circuit
○ http://blog.naver.com/leesu52?Redirect=Log&logNo=90179899461
