일반물리학 실험 보고서 6 - 교류회로

1. 실험 목적

저항 및 축전기를 이용하여 R회로와 C회로, R-C회로를 각각 구성하여 교류전압과 교류전류를 측정하여 저항(R), 전기용량(C)의 특성을 이해하고 직류회로와의 차이점을 배운다.

 

2. 실험 원리

실험 원리

실험 원리

3. 실험 기구 및 재료

멀티미터, 함수 발생기, 직류 전원 장치, 저항(1K(Ohm)), 축전기, 브레드보드, 전선

 

4. 실험 방법

<실험 1> 회로

① 직류 전원 장치와 저항을 사용해 직렬회로를 구성한다.

② 인가 기전력을 0V부터 5V까지 1V 간격으로 바꾸면서 회로의 전류를 측정한다.

③ 직류 전원 장치를 함수 발생기로 바꾸어서 직렬회로를 같이 회로를 연결한다.

④ 함수 발생기의 진동수를 100Hz에 고정시키고 인가 기전력 를 0V부터 5V까지 1V간격으로 바꾸면서 회로의 전류를 측정한다.

⑤ 인가 기전력을 5V로 유지하고 진동수 100Hz부터 500Hz까지 100Hz간격으로 바꾸면서 전류를 측정한다.

 

<실험 2> 회로

① 축전기와 직류전원장치를 사용해 직렬회로를 구성한다.

② 실험1의 과정을 반복한다.

 

<실험 3> 회로

① 함수 발생기를 사용하여 회로를 연결한다.

② 함수 발생기의 진동수를 100Hz에 고정시키고 인가 기전력 를 0V부터 5V까지 1V간격으로 바꾸면서 회로의 전류를 측정한다.

③ 오실로스코프와 함수발생기를 회로에 연결한다.

④ 인가 기전력을 5V로 유지하고 주파수를 100Hz부터 500Hz까지 100Hz간격으로 바꾸면서 인가한 기전력과 저항 양단의 전위차의 위상 차이를 읽는다. 

 

5. 측정값

측정값

측정값

측정값

6. 실험 결과

 

7. 결과에 대한 논의

R회로와 관련된 실험에서 저항이 연결된 회로에서 직류실험은 전압이 커질수록 전류가 커짐을 볼 수 있었고 교류실험에서 또한 기전력에 따라 전류가 커지는 것을 볼 수 있었다. 진동수에 따라서는 전류가 변하지 않았는데 여기서 진동수는 별 영향을 끼치지 않는다는 것을 알 수 있었다. C회로와 관련된 실험에서 축전기가 연결된 회로에서 직류실험은 전압과 상관없이 전류가 0의 값이 나왔다. 이것은 축전기의 충전과 방전에 의해 흐르지 않는다는 것을 이론적으로도 알 수 있다. 교류실험에서는 진동수가 높아짐에 따라서는 전류가 확연히 커짐을 볼 수 있었다. 전압이 같을 때 진동수를 변화하는 실험에서는 큰 오차가 났다. 교류실험을 진행하면서 함수발생기와 오실로스코프는 잘 작동해도 멀티미터의 측정값이 이상한 경우가 많아서 실험을 다시 진행하는 과정에서 실수가 발생한 것 같다.

실험1과 실험2의 차이는 교류일 때 나타난다. 진동수와 전류의 그래프를 그려보았는데 R회로일 때는 진동수의 값이 전류에 아무런 영향을 주지 않았다. 따라서 진동수가 커져도 전류는 일정한 값을 유지하였다. 

식이 포함되어서 캡쳐해서 추가했습니다.

C회로에서 진동수와 전류는 서로에게 영향을 미친다.

R-C회로에서는 저항과 축전기가 함께 연결된 회로에서 앞에 실험과 같이 전압에 따라 전류가 증가함을 알 수 있었다. 또한 진동수를 올려 주었을 때 저항에서는 아무런 변화가 없었을 것이지만 축전기에 의해서 전류가 더욱 증가 했다. 임피던스 값은 실험7의 전압 대 전류그래프의 기울기의 역수인데, 8.478%의 오차가 났다. 이는 실험할 때 정확하게 원하는 기전력을 공급하기가 어려웠고 멀티미터로 측정하는 과정에서 미세한 움직임까지를 측정해 내지 못하였기 때문이다.

 

8. 결론

이번 실험은 직류회로와 교류회로에서의 축전기와 저항의 연결로 전류의 흐름을 알아보고 교류회로에서의 전압과 진동수의 변화에 따른 전류의 변화를 알아보는 실험이었다.

R회로 직류와 교류에서는  를 통해 실험값과 이론값을 구했다. 그리고 진동수는 실험에 영향을 미치지 않는다는 사실을 알아낼 수 있었다. C회로에서 직류연결을 했을 때 전압이 달라져도 전류는 0이었고 교류에서는 전류와 전압의 그래프가 일정했고 그 기울기로 C의 값을 구하는 식은  이다. 임피던스는 이고, R-C회로 실험에서 전압 대 전류 그래프의 기울기를 통해 임피던스를 구할 수 있었다.