일반물리학 실험 보고서 10 - 변압기의 원리

1. 실험 목적

2개의 코일과 철심을 사용하여 변압기를 구성한다. 함수발생기를 사용해 변압기의 성질과 1,2차 코일의 관계를 알아본다. 철심상태에 따른 전압 값을 측정하고 이를 통해 그 관계를 알아본다.

 

2. 실험 원리

(1) 변압기
변압기란 전자기유도현상을 이용하여 교류의 전압이나 전류의 값을 변화시키는 장치이다. 변압기 코일의 2개를 연결해 한쪽에는 함수발생기를 연결하고 다른 한쪽에는 멀티미터를 연결한다. 전원을 연결한 코일에 전류가 흐르면 코일과 철심에는 자기장이 형성된다. 반대편 코일에는 교류전류가 유도된다.

 

(2) 코일의 감은 수에 따른 유도전압

코일의 감은 수에 따른 유도전압

(3) 코일의 감은 수에 따른 유도전류

코일의 감은 수에 따른 유도전류

3. 실험 기구 및 재료

변압기 코일(200회, 400회*2개, 800회), U자형 철심, I자형 철심, 함수발생기, 멀티미터 4대, 저항(1Ω, 10Ω, 100Ω, 1kΩ)

 

4. 실험 방법

<실험 1> 철심의 기능

1. 1,2차 코일을 400회 코일 2개로 택하고 변압기 코일의 사이에 I자형 철심을 사용해 연결한다.
1. 함수 발생기의 진동수를 60Hz로 고정한다.
2. 멀티미터를 함수발생기에 연결하고 전압을 측정하면서 진폭을 조절해 5V로 고정한다.
3. 아래의 그림과 같이 회로를 구성한다.
4. 1,2차 코일의 전압을 읽는다.
5. 함수발생기의 output의 스위치를 눌러 출력을 끊는다.
6. I자형 철심을 제거한 뒤 U자형 철심을 끼우고, output스위치를 누른 뒤 전압을 읽는다.
7. 출력을 끄고 I자형 철심을 U자형 철심 위에 볼트를 조여 고정한 뒤 output스위치를 누르고 전압을 읽는다.

철심의 기능

<실험 2> 전압 변환

1. 1,2차 코일을 400회 코일 2개로 택하고 실험1의 7과정과 같이 회로를 구성한다.
2. 함수발생기의 진폭을 조절해 1V부터 5V까지 전압을 1V씩 올리면서 1,2차코일의 전압을 측정한다.
3. 2차 코일을 200회, 800회로 바꾸면서 2의 과정을 반복한다.

 

<실험 3> 전류 변환

1. 1차 코일을 400회, 2차 코일을 800회로 택하고 저항을 1Ω을 사용해 아래의 그림과 같이 회로를 구성한다.
2. 함수발생기의 진폭을 조절해 10mA부터 50mA까지 전류를 10mA씩 올리면서 1,2차 코일의 전류를 측정한다.

전류 변환

<실험 4> 전력 전달
1. 코일이 연결되지 않은 상태에서 함수발생기의 출력전압을 5V로 고정한다.
2. 1,2차 코일을 400회 코일 2개로 택하고 저항을 1Ω로 하여 아래의 그림과 같이 회로를 구성한다.
3. 1차 코일의 전압과 전류, 2차 코일의 전압과 전류를 측정한다.
4. 저항을 10Ω, 100Ω, 1KΩ으로 바꿔가면서 3번 과정을 반복한다. 

전력 전달

 

5. 측정값

<실험 1> 철심의 기능

철심의 기능

<실험 2> 전압 변환

전압 변환 1

전압 변환 2

<실험 3> 전류 변환

전류 변환

<실험 4> 전력 전달

전력 전달

 

6. 실험 결과

<실험 1> 철심의 기능

철심의 기능

<실험 2> 전압 변환

전압 변환 1

전압 변환 2

전압 변환 3

<실험 3> 전류 변환

전류 변환

<실험 4> 전력 전달

전력 전달

 

7. 결과에 대한 논의

실험 1에서 철심 상태에 따라 철심이 없음부터 I자형 철심, U자형 철심, I자형+U자형 철심일 때의 1,2차 전압 값을 측정했다. I자형+U자형 철심일 때의 1차와 2차 전압 그래프의 기울기가 가장 1에 근사한 값을 보였다. 이 실험을 통해 철심은 자속이 발생되어 전달될 수 있는 역할을 한다는 것을 알 수 있었고, 코일과 코일사이에 철심의 공백이 없을수록 전달을 잘 하는 것을 알 수 있었다.

 

실험 2

실험 3

실험 4에서 이론값으로 구한 전력의 비는 변압기가 손실이 없는 매우 이상적인 상태를 가정하고 구한 값이었기 때문에 이 또한 실험 3처럼 손실이 많은 경우의 실험을 보였다. 또한 이 실험은 앞의 실험들보다 복잡한 회로 연결을 요했고 이에 따라 더 많은 노출 부위를 보여 더 큰 손실이 있었던 것 같다.

 

8. 결론

철심은 자속이 발생되어 전달 될 수 있도록 하는 역할을 한다. 따라서 코일과 코일사이에 철심의 공백이 없어야 전력을 온전하게 전달할 수 있다.

결론

9. 참고문헌 및 출처

1. 네이버 사전(변압기)