휘트스톤 브릿지 실험

1. 이번 실험은 휘트스톤 브릿지 실험입니다. 파워서플라이로 전압을 가할 때 너무 높은 전압을 가하면 저항이 타는 경우가 발생할 수도 있으므로 매뉴얼에서 제시하는 전압이상 가하지 마세요.

저항을 보다 정밀하게 측정하기 위해서 휘트스톤 브릿지를 사용한다. 이것은 알고 있는 저항을 이용하여 모르는 저항을 정밀하게 측정하는 장치이다.

위의 그림에서 R₁와 R₂는 이미 알고 있고, R₃는 가변저항으로 값을 직접 읽을 수 있다고 하자. 여기서 R₄가 측정하고자 하는 미지의 저항이라고 하자.

스위치 S를 닫은 후 가변저항 R₃를 조절하여 검류계에 전류가 흐르지 않도록 한다. 그러면 c와d의 전위차가 같아지므로 I₁R₁=I₂R₂, I₃R₃=I₄R₄, I₁=I₃, I₂=I₄ 이므로 R₁R₄=R₂R₃가 성립된다. 그러므로 미지의 저항 R₄의 값을 알 수 있다.

즉, R₁, R₂, R₃의 저항값은 이미 알고 있으므로, 미지의 저항 R₄의 값은 다음과 같다.


	저항을 연결할 때 쓰는 Bread Board 일명 빵판입니다. 사용법은 밑의 사진을 보세요.

	이 Bread Board는 연결할 수 있는 부분이 옆의 사진처럼 되어있습니다. 먼저 맨 왼쪽 연두색박스와 같은 곳은 한줄당 가로로 연결할 수 있습니다. 그리고 빨간색 박스와 같은 곳도 한줄로 연결할 수 있습니다. 파란색 박스는 한줄당 세로로 연결되어 있으며 노란색 박스도 한줄당 세로로 연결할 수 있습니다.

	위에서 설명한 것은 자세하게 말해보면 위에서 연두색박스안은 한줄당 가로로 연결할 수 있다고 했는데 옆의 사진의 A부분처럼 가로로 연결되어 있습니다. 즉, 이 라인에는 어느 구멍에 무엇을 꼽던간에 같은 선상에 연결되게 됩니다. 그리고 B도 마찬가지입니다. 그러나, A라인과 B라인은 따로 떨어져 있습니다. C라인과 D라인은 수직연결입니다. 즉, C라인 상에서는 수직으로 연결한 모든 것들이 하나의 선상에 있게 됩니다. 밑의 사진을 보세요.

	위에서 설명한 것을 실제로 보겠습니다. 옆의 사진을 회로로 나타내면 이렇게 됩니다. 즉, 옆의 파란색 박스안의 연결은 위의 회로도에서의 파란색 박스 안과 같습니다.

	이제 휘트스톤 브릿지 실험장치에 실험기구들을 연결해 보겠습니다.

	옆의 그림은 이번 실험의 전체 회로도입니다.

	파워 서플라이에 +와 - 출력단자에 케이블을 연결합니다.

	파워서플라이의 - 단자에 연결된 케이블의 한쪽 끝을옆의 사진처럼 연결해 줍니다.

	빵판에 저항을 옆의 사진처럼 연결해 줍니다. 이때 저항을 각각 R1, R2라고 하겠습니다. 나중에 저항을 1Ω, 2Ω, 3Ω 이렇게 3가지로서 조합을 만들어서 실험을 하게 됩니다.

	이제 파워서플라이의 +단자와 연결된 케이블의 끝을 옆의 사진처럼 가변저항의 윗부분에 연결해 줍니다.

	이제 다른 케이블로 옆의 사진처럼 가변저항에 연결해 줍니다.

	바로 위 사진에서 가변저항에 연결했던 케이블을 옆의 사진과 같이 휘트스톤 브릿지에 연결해 줍니다.

	이제 저항으로 케이블을 연결할 차례입니다. 먼저 옆의 사진과같이 휘트스톤브릿지에 케이블을 연결해 줍니다.

	위에서 휘트스톤브릿지에 연결된 케이블을 옆의 파란색 박스로 되는 곳처럼 연결해 줍니다.

	이제 휘트스톤 브릿지에서 옆의 연두색 박스친곳과 R1과 연결합니다. 즉, 케이블을 먼저 옆의 사진처럼 연결해 줍니다.

	위에서 연결했던 케이블을 옆의 사진처럼 저항에 연결해 줍니다.

	전류계입니다. 여기서는 검전기의 역할을 합니다. 현재 옆의 사진처럼 아무 단자도 연결하지 않은상태에서 전류계의 눈금바늘이 0에 위치하지 않는다면 화살표 부분에 있는 0점 조절 나사를 돌려서 눈금바늘과 계기판의 0을 일치시켜 줍니다.

	전류계에 연결하는 단자들의 모습입니다.

	이제 전류계의 단자에 케이블을 연결합니다.

	위에서 전류계의 COM단자와 연결한 케이블을 옆의 사진처럼 저항에 연결합니다.

	이번에는 전류계의 5A단자에 연결했던 케이블의 다른쪽 끝을 옆의 사진처럼 저항선에 연결해 줍니다.

	전체 실험의 셋팅이 끝난 모습입니다.

	파워서플라이의 전원을 켜기 전에 먼저 Voltage 조절 knob를 반시계 방향으로 끝까지 돌려줍니다. Voltage 조절 knob에는 두가지가 있습니다. 하나는 사진에서 오른쪽 knob 즉, knob를 돌림에 따라 전압변화가 급변하는 것이고 나머지 왼쪽 knob는 세밀한 전압조정을 할 때 쓰이게 됩니다.

	전류 조절 knob도 마찬가지로 반시계방향으로 끝까지 돌려줍니다.

	그리고 파워서플라이의 전원을 켭니다.

	이제 전압조절 knob를 천천히 돌려줍니다.이때 전압은 5V로 해주세요.

	이제 휘트스톤브릿지에 물려있는 선을 좌우로 왔다갔다 하면서 전류계를 살핍니다. 이때 만약 전류계의 눈금이 0에 위치하게 되면 우리가 구하고자 하는 결과를 얻은 것입니다.

	옆의 그림은 휘트스톤브릿지에 연결된 부분을 그림으로 나타냈습니다. 지금 현재 "검류계에 연결된 곳"이라고 표시되어 있는 점은 검류계의 COM단자에 연결된 곳입니다. 여기서 우리가 측정해야 할 것은 A의 길이와 B의 길이입니다. 쇠자의 전체 길이는 1m입니다. 그러므로 만약 A의 길이를 측정한다면 B의 길이는 1m-A의 길이가 됩니다.

	전체 회로도상에서 그림으로 나타내면 옆의 그림과 같습니다. 여기서 우리가 측정해야 할 것은 A와 B의 길이의 비와 R1과 R2의 저항의 크기 비입니다. 예를 들어 R1이 1Ω 이고 R2가 3Ω 이라고 하면 이론적인 길이의 비는 가 되어야 합니다. 즉 R1 : R2 = A : B 가 되어야 합니다.

위에서 설명했던 실험절차중에서 실제 데이터를 얻을 때는 약간 바꾸어줘야 할 부분이 있습니다. 그것은 위의 왼쪽 그림과 오른쪽 사진의 A부분입니다. 위에서 설명했듯이 전체 쇠자의 길이는 1m입니다. 여기서 A부분에 연결했던 악어클립을 저항선의 길이를 변화시키기 위해 저항선에 위에 연결해야 합니다. 즉,

위의 그림과 같이 실험데이터를 얻을 때 저항선의 길이를 변화시키면서 검류계를 연결해야 합니다.그리고 이때의 저항 R1과 R2에 따른 저항선의 길이 A, B도 측정하면 됩니다. 저항선의 길이 A, B에 대한 설명은 이미 위에서 했습니다.

2. 휘트스톤 브릿지를 이용 또는 응용해서 우리주변에서 쓰이고 있는 것은 무엇인가?


	휘트스톤 브릿지입니다.

	파워서플라이입니다.

	전류계입니다.

	저항입니다.

	빵판(Bread Board)입니다

	케이블입니다.