Gustav R. Kirchhoff, 1824 ~ 1887
기초회로 실험
1. 실험목적
전기 회로의 기본중의 하나인 키르히호프의 법칙과 휘트스톤 브릿지를 실험함으로써 이론적 지식을 확인한다.
2. 개요
전기회로를 분석할려면 여러 가지 기본법칙을 숙지한 후에 분석해야 한다. 이중에 키르히호프의 법칙은 매우 간단하면서도 효과적으로 회로를 분석하는데 도움을 준다. 또한 미지의 저항을 측정하는 방법으로 멀티미터를 이용한 직접적인 방법도 있으나 회로의 성질을 이용한 간접측정법인 휘트스톤 브릿지도 있다.
이 키르히호프의 법칙과 휘트스톤 브릿지를 이해하는 것은 전기부분의 이론을 이해하는데 매우 큰 도움이 된다.
3. 이론
1) 키르히호프의 법칙
|
|
|
|
Gustav R. Kirchhoff, 1824 ~ 1887 |
|
키르히호프의 법칙은 전류에 관한 제1법칙과 전압에 관한 제2법칙이 있다.
① 제1법칙 : 전류의 법칙
|
|
제1법칙은 전류가 흐르는 길에서 들어오는 전류와 나가는 전류의 합이 같다는 것이다. 즉,
|
||
|
병렬회로의 전류분배 |
회로에 가해진 전원전압으로 각 저항에는 전류가 흐르는데 저항에 반비례하여 흐를 것이다. 전원전압이 가해져 전체 회로에 흐르는 전류는 각 저항에 흐르는 전류를 합한 것과 같게 된다. 7A가 회로에 흘러들어가 2Ω의 저항에 5A가 흐르고, 5Ω의 저항에 2A가 흘러 합은 7A의 전류가 되는 것이다. |
② 제2법칙 : 전압의 법칙
|
직렬회로의 전압분배 |
회로에서 가해진 전원전압은 저항3개로 나누어져 소비된다. 즉, 부하는 3개의 저항이 되고 각 저항마다 전압강하가 생길 것이다. 각 저항의 전압강하를 모두 합하면 가해진 전원전압이 된다. 즉, 6V = 1V + 2V + 3V |
2) 휘트스톤 브릿지
브릿지회로는 다양한 형태로 존재한다. 이것은 작은양의 값을 정밀하게 측정하는데 쓰이게 된다. 브릿지회로에는 여러 가지가 있지만 여기에서는 가장 전형적인 브릿지인 휘트스톤 브릿지에 대해 설명한다.
이번실험을 통해 기본적인 휘트스톤 브릿지에 대해 알 수가 있을 것이다. 또한 다른 브릿지 회로는 이 휘트스톤 브릿지를 응용하면 그 대부분을 이해할 수 있을 것이다.
휘트스톤 브릿지는 저항값을 측정하는 브릿지회로이다. 또한 이것은 매우 정밀하게 미지의 저항값을 측정할 수 있는 도구이기도 하다. 먼저 아래 그림1을 보면
그림1.
위의 회로를 보면 좀 헷갈릴 수도 있다. 그래서 이것을 다시 그리면 아래 그림2와 같이 된다.
그림2.
위의 회로를 보면 좀 더 정확하게 이해할 수 있다. 이것은 두 개의 Input과 두 개의 Output을 가지고 있다. Input은 두 개의 평행가지를 가로지르고 있으며 Output은 각 평행가지의 중심으로부터 나온다.
위의 회로처럼 만약에 모든 저항들이 같은 값을 가지고 있다면 각 저항에 같은 전압이 가해지게 된다. Ground로부터 A점에 6V가 걸리게 되고 또한 Ground로부터 B점에 6V가 걸리게 된다. 그러므로 각 점은 같은 전압을 가지게 되며 이때의 전압차는 0이 되게 된다. 만약 여기에 전류계를 연결하게 되면 전압차가 존재하지 않으므로 당연히 전류가 흐르지 않게 되어 0을 가르키게 된다.
이때 이 브릿지를 "balanced"되었다고 하고 전류계는 0을 가리키게 되고 이때 "nulled"되었다고 말한다. 만약 어떤 저항값이라도 조금이라도 변한다면 전류계에 전류가 흐르게 된다.
그림3.
위의 그림3 회로는 언뜻 보기에는 명확하지 않지만 "balanced"된 회로이다. 저항 R1과 R2의 값은 각각 10KΩ과 1KΩ이고 비율은 10:1이다. 또한 저항 R3와 R4의 값은 각각 100KΩ과 10KΩ이고 비율은 10:1이다. 계산을 해보면 R2와 R4는 같은 전압을 가지고 있으며 A점과 B점은 같은 전압을 가지고 있으며 이 브릿지는 "balanced"된 회로이다. 이쯤에서 중요한 것은 가지의 저항값이 아니라 비율인 것을 알 것이다.
그림4.
위의 그림4는 "unbalanced"된 브릿지이고 A점과 B점의 전압을 계산을 통해 보여준다. 만약 전류계가 A점과 B점에 연결되어 있다면 전류가 흐를 것이다. "balanced" 된 회로의 저항중 하나의 매우 작은 변화가 브릿지를 "unbalanced"되게 할 수 있다. 즉, 저항값을 변경함에 따라 "unbalanced", "balanced"되기 때문에 정밀한 저항 측정을 위해 쓰이게 되는 것이다.
예를 들어 보면
그림5.
만약 회로가 위의 것처럼 연결되어 있다면 이것은 정밀저항값 측정 브릿지이다. 저항 R2는 다이얼(0에서 10KΩ값을 가짐)을 가진 가변 저항이다. 만약 미지의 저항이 점 C와 점D사이에 연결되어 있다고 하자. 그 후에 R2의 다이얼을 돌려가면서 전압계가 0을 가리키는지 확인한다. 만약 0이 가리키는 지점이 나타난다면 이때의 저항 R2와 RX는 같은 저항값을 가진다. 즉, R2에 나타난 저항값이 미지의 저항값 RX가 된다.
3. 실험장치
1) 키르히호프의 법칙
|
|
이번 기초실험에서 주로 사용하게 될 Bread board입니다. |
|
|
|
|
|
브레드보드의 내부 연결선 |
|
|
|
|
|
단자끼리 연결할 때 쓰는 점프 와이어입니다. |
|
|
|
|
|
저항입니다. |
|
|
|
|
|
멀티미터입니다. 전압과 전류, 저항값을 측정할 때 쓰입니다. |
|
|
|
4. 실험절차
1) 키르히호프의 법칙 - 제1법칙
|
회로도 처럼 Bread board를 이용하여 회로를 구성합니다.
|
|
|
회로 구성이 끝난 뒤 동영상에서 안내한것처럼 실험을 진행합니다. 전체 유입전류를 측정하고 각 저항의 전류를 측정합니다. 전류는 저항과 직렬연결 해야 합니다. |
|
|
|
|
|
회로도에서 I1과 I2, I3를 측정합니다. |
|
|
|
|
|
|
|
|
위의 회로도는 I1,I2, I3을 측정하기 위한 회로도 입니다. |
|
|
|
|
|
|
|
2) 키르히호프의 법칙 - 제2법칙
|
|
|
|
|
이번에 할 것은 옆의 회로에 대해 2법칙을 실험 합니다. 왼쪽의 회로도처럼 Bread board에 회로를 구성합니다. 이때 주의할 점은 저항의 크기를 선택하는데 저항끼리 너무 값의 크기가 크지 않은 것으로 해주시기 바랍니다. 예를들어 300Ω저항과 15KΩ(15000Ω)을 섞어서 사용하게 되면 오차가 커지게 됩니다. 주의하시기 바랍니다. |
|
저항의 전압을 측정하는 방법은 저항과 병렬의 위치에서 측정을 시도해야 한다는 것입니다. 그림과 같이 전압을 측정하시면 됩니다. |
|
|
|
즉, 이렇게 연결한다는 말이 되겠습니다. |
|
|
|
|
|
|
3) 휘트스톤 브릿지
그림과 같이 회로를 구성합니다. 동영상을 보시면서 따라하시면 쉽게 만들 수 있습니다. 전원 공급장치의 +/-에 대한 극성은 무시해도 됩니다.
5. 측정할 것
1) 키르히호프의 법칙(제 1법칙)
|
|
전체 전류(유입전류)를 I로 하고 각각의 저항에 흘러들어가는 저항을 I1, I2, I3... 이렇게 놓으면 됩니다. 물론 전류측정은 멀티미터로 하면 됩니다. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2) 키르히호프의 법칙(제 2법칙)
|
|
전체전압(입력전압)을 V로 하고 각각의 저항에 걸리는 전압을 V1, V2, V3...이렇게 놓으면 됩니다. 물론 전압측정은 멀티미터로 하면 됩니다. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3) 휘트스톤 브릿지
자. 위의 회로를 각자가 구성해서 실험하세요. 단, R1, R2, R3, Rx를 여러 가지로 바꾸어 가면서 실험하세요. 자세한 사항은 위의 실험 방법에서 설명하였습니다.
6. 고찰사항
1. 키르히호프의 법칙을 구체적으로 적용한다면 어떤 곳에서 적용할 수 있는가?
2. 키르히호프의 법칙을 한마디로 한다면 무엇이라고 할 수 있는가? 또한 이 법칙을 통해 우리는 무엇을 알 수 있는가?
3. 브릿지 회로의 종류에는 어떤 것이 있는가? 또한 각각의 브릿지 회로의 장단점은 무엇인가?
4. 이번실험에 쓰인 휘트스톤 브릿지의 회로가 아닌 다른 회로에는 어떤 종류가 있는가? 만약 있다면 그 회로를 그려보시오
