기초회로 PART2 기본 수동 부품에 대한 이해 결과 레포트

<기초회로 결과 레포트>

chaper2 기본 수동 부품에 대한 이해

기초회로 실험을 하면서 가장 중요한 팁이 하나 있다.

우선 실험을 빨리 끝내기 위해서는 먼저 예비나 결과를 읽어보고 실험을 해보는 것이다. 예비만 보고 실험을 척척 할 정도라면 그 사람은 고수 인것이 틀림없다. 그러나 저같은 초보자라면 미리 읽고 실험에 참여해보자. 그리고 학교 선배들한테 자료를 받는 경우도 있는데 그러지 못하는 친구들을 위한 페이지이기도 하다. 

 사용 장비 및 부품

1. 디지털 멀티미터(DM3051)

2. 저항 : 탄소 피막 10Ω(2개), 1.8kΩ(2개), 2.2kΩ(2개), 3.3kΩ(2개), 4.7kΩ(2개), 100KΩ

3. 커패시터 : 1uF(1개), 2.2uF(1개), 330uF(2개) 모두 전해 콘덴서

4. 직류 전원 공급 장치(GPS - 3303)

 실험 방법 및 결과

1-1 실험1 : 저항

1-2 실험 회로도

1-3 실험 방법

1) 1.8kΩ 저항과 2.2kΩ 저항을 여러 개 사용하여 2kΩ 저항을 구성하여, 디지털 멀티미터로 저항 값을 측정하라.

2) 3.3kΩ 저항과 4.7kΩ 저항을 여러개 사용하여 16kΩ 저항을 구성하여, 디지털 멀티미터로 저항 값을 측정하라.

1-4 실험 결과

1) 저항의 직렬과 병렬의 성질을 예측한데로 결과가 나왔다. 1>은 1.8kΩ저항과 2.2kΩ저항 여러개를 사용 해서 2kΩ를 구하는 것인데 1.8kΩ과 2.2kΩ를 우선 직렬로 연결하고 직렬로 연결된 회로를 두 개씩 만들어서 병렬로 연결 하면 1.98kΩ의 저항을 얻을 수가 있을 것이다. 저항 자체에 오차가 있기 때문에 이러한 결과가 나왔다.

2>은 3.3kΩ과 4.7kΩ저항 사용해 16kΩ을 만드는 것인데 위 의 그림과 같이 3.3kΩ과 4.7kΩ 각각 2개씩 직렬로 연결 하면 15.8kΩ을 얻을 수 있다. 1번의 실험과 마찬가지로 약간의 오차를 가는 것은 동일 할 것으로 보인다.

1-5 검토 사항

브레드 보드에 저항을 연결할 때 세로로 잘못 연결할 시 저항의 효과가 없이 나타날 우려가 있다. 이점을 주의해서 저항을 연결해야 된다. 그리고 저항의 오차가 큰 탄소피막 저항 보다는 오차가 적은 제품을 사용하면 더 좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

2-1 실험2 : 커패시터

2-2 실험 회로도

2-3 실험 방법

1-1) 실험 회로도에서 330uF 커패시터 2개를 모두 방전시키고, 하나만 10V 로 충전한 다음 다른 하나의 커패시터에 연결한 후 전압을 측정하라. 연결할 때 첫 번째는 저항을 통하지 않고 커패시터끼리 직접 연결하고, 두 번째는 저항 10Ω을 통하여 연결하라. 연결 전과 후에 커패시터에 저장된 에너지를 계산하고 에너지 보존법칙에 대하여 생각하여 보라.

	SW1	SW2	SW3	SW4	비고
1	OFF	ON	ON	ON	C1,C2 방전
2	ON	OFF	ON	ON	C1 충전
3	OFF	ON	ON	OFF	C 전압측정
4	OFF	ON	ON	ON	C1,C2 방전
5	ON	OFF	OFF	OFF	C1 충전
6	OFF	ON	OFF	OFF	C 전압측정

1-2) 추가적인 실험 사항 10Ω의 저항이 미비 하기에 100KΩ이라는 더 큰 저항을 통해 전압의 이동이 어떤 식으로 일어나는지를 확인하였다.

2) 1uF 커패시터를 10V 로 충전한 다음 디지털 멀티미터에 연결한 후 몇 초 만에 3.7V 로 떨어지는지 측정하여 시정수를 구하고, 이 결과로부터 디지털 멀티미터의 내부 저항을 구하라. 커패시터를 2.2uF로 바꾸어 실험을 반복하라.

2-4 실험 결과

1-1> 1)전해 커패시터의 방전을 두 다리를 연결 해주면 손쉽게 방전이 가능하다. 그리고 2)의 C1 충전을 직류 전원 공급 장치를 통해 손쉽게 충전이 가능하다. 실험해서 전해 콘덴서의 용량이 적기 때문에 1~2초 안에 충전되는 모습을 보였다. C1은 9.60V로 충전이 되었고 3) 병렬로 연결된 또 다른 콘덴서에 연결을 하니 C1에 전압이 5.00V로 줄고 C2가 4.67로 상승했음을 보였다. 여기서 중요한 실험시 방전된 콘덴서를 이용해야 한다는 것이다. 4) 다시 커패시터 두 다리를 연결해 2개의 콘덴서를 방전 시켰다. 5) 2번과 동일하게 C1을 직류 전원 공급 장치를 통해 충전을 하였다. 6) C1 충전된 상태에서 직류 전원 공급 장치의 연결을 차단하고 C2사이에 저항10Ω을 연결하였다. 3번과 마찬가지로 전압은 C1에 5.02V, C2 4.68V 실험 결과는 거의 비슷함을 보였다. 이 실험을 통해 콘덴서의 충전된 전압의 양은 에너지 보존 법칙에 의해 유지된다는 것을 보였다. 저항을 사용해 전압의 이동 속도를 늦추려 했으나 10Ω이라 너무 낮은 저항이어서 실험의 영향은 미미 했다.

1-2> 추가적인 실험 100KΩ을 사용했더니 전압의 이동이 상당히 느리게 변함을 보였다. 10Ω으로 했을 때는 거의 차이가 없던 것이 100KΩ을 사용하니 약 10초 정도의 시간이 지나야 5V에 근접함을 확인 할 수 있었다.

2> 10V로 커패시터 1uF를 충전하고 디지털멀티미터로 충전되었는지 확인을 하였다. 이후 3.7V에 근접하게 전압이 떨어지는 시간을 확인해 보니 약 12.28초 정도가 나왔다. 여기서 시정수라 함은 36.3%에 해당하는 방전을 일으킨 시간을 이야기하는데 3.7V가 이 퍼센트와 거의 유사하다 따라서 시정수는 12.28초 이다. 다음 실험은 커패시터를 2.2uF로 바꾸고 실험을 반복해 디지털멀티미터 내의 저항을 구하는 것이다. 2.2uF로 실험을 해보니 12.94초가 나왔다 실험의 결과는 거의 유사함을 알 수 있다. t=1/rc 이기 때문에 공식에 대입을 해 계산을 해보겠다. 따라서 R의 값은 약 35.127KΩ된다. 디지털 멀티미터의 저항 값은 약 35.127KΩ이다.

2-5 검토 사항

1>실험 시 직류 전원 공급 장치의 +, - 극이 붙지 않도록 주의를 해야 된다. 두 개가 연결이 된다면 합선이 일어나 콘덴서의 커패시터가 망가질 수도 있기 때문이다. 전해 콘덴서의 양이 작아서 그런지 전선 안에 상당한 전압의 양으로 빛이 나는 것을 확인 할 수 있었다. 10Ω이라는 낮은 저항을 통해서는 실험을 차이를 입증하기 힘들기 때문에 100KΩ사용해 확실한 결과를 볼 수 있었다. 디지털멀티미터를 통해 직류 전원 공급 장치의 전압이 확실히 어느 정도 인지 확인해 봐야 더 정확한 실험 결과를 얻을 수 있다. 10V라 하여도 9.9V 일수도 잇고 10.3V일 수도 있기 때문이다.

2> 커패시터에 전압이 측정된 여부를 디지털 멀티미터로 측정을 하고 실험에 임한다. 그리고 3.7V 떨어지는 시간을 사람의 손으로 측정하기 때문에 약간의 오차가 생겼을 것이다.

 결론

저항의 실험에서는 디지털 멀티미터가 정확한 측정을 통해 실험의 오차를 줄이는데 상당히 기여를 했다고 생각하고 저항의 연결은 브레드 보드의 특성을 이용해 연결하면 상당히 쉽게 연결이 가능하다. 브레드 보드 속 세로 연결 라인을 잘 못 이용하면 저항의 효과가 나타나지 않을 수 있으니 이점은 각별히 유의가 필요한 점이 있다. 저항은 직렬 일 때는 두 저항의 합이 되고 병렬 일 때는 역수 분에 합이 된다는 것의 특성의 이론을 실질적으로 적용한 실험이 되었다.

커패시터의 실험에서는 커패시터 방전을 하는 요령을 이해 할 수 있었다. 어떤 전선을 이용해서라도 커패시터의 자체를 연결 해주면 손쉽게 방전이 되었고 이 방전의 유무는 디지털 멀티미터를 사용해 측정이 가능하다. 이번 실험에서는 방전을 브레드 보드를 통해 해보았고 다른 방식으로도 응용이 가능하다. 이론적으로 에너지 보존 법칙이 성립되는 줄만 알았는데 실제로 해보니 10V의 전압이 5V이 나누어 가짐을 보였다. 그러나 시간이 지남에 따라 전압의 소모가 눈이 보일정도로 떨어져서 실험을 상당히 재빨리 진행해서 이론과 거의 비슷한 값을 얻을 수가 있다. 커패시터 사이에 저항의 연결을 통해 전압의 흐름을 방해해 보려 했으나 저항이 너무 작아서 실험의 결과는 눈에 보이지 않았다. 그러나 100KΩ으로 바꾸고 나니 저항의 방해 효과가 확실하게 보였다. 따라서 이 실험에는 10Ω보다는 100KΩ를 사용하는 것이 유리하다. 시정수를 구하는데 있어서는 10V에서 3.7V로 떨어지는 시간을 정확히 측정하고 이때의 시정수를 통해 디지털 멀티미터의 내부저항을 손쉽게 구할 수 있었다. 디지털멀티미터로 전압을 측정만 하는 줄 알았는데 내부저항이 있다는 것이 놀랍다. 

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