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  • 일반물리학 옴의법칙 [물리학 및 실험]
    대학 레포트 자료실 2020. 4. 4. 23:03

    물리학 및 실험

    옴의법칙




    실험 주제

    옴의 법칙

    실험 목적

    저항값에 대한 색코드를 확인하고 저항체에 대한 옴의 법칙과 다이오드의 특징을 알아본다.


    실험 이론

    . 옴의 법칙

    어느 저항에 걸리는 전압V와 이제 흐르는 전류 I의 비율을 전기저항R 이라 하며 다음과 같은 식으로 표현 할 수 있다.

    V = IR

    여기서 전기저항 R은 물질의 종류, 모양, 크기, 온도 등에 따라 달라지며, 걸린 전압V에 따라서도 달라질 수 있다. 이와 같이 전압 V와 전류 I가 일정한 상수 비율로 주어지는 것을 옴의 법칙이라고 한다.

    여러 개의 저항이 직렬로 연결된 회로에서는 저항을 통과하는 전류가 같다. 그러므로 각각의 저항에 걸리는 전압이 전기저항에 비례한다. 병렬회로에서는 저항에 걸리는 전압이 같으므로, 각각의 저항에 흐르는 전류가 전기저항에 반비례한다.


    . 다이오드

    다이오드란 한 방향으로만 전류를 흐르게 하는 전자 부품이다. 이런 다이오드의 성질은 교류를 직류로 변환하는 정류작용이나 방송전파에 들어있는 음성신호만을 검파할 때 등 많은 부분에서 쓰이고 있다.

    다이오드의 구조는 p형 반도체와 n형 반도체를 겹쳐놓은 형태이다.

    n형과 p형 반도체에 대해 잠시 알아보면 4족 원소인 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)에 인(P)과같이 5족 원소가 미량 첨가되면 4개의 전자가 4족 원소와 결합하며 원자가전자를 1개 남기는데 이를 자유전자라고 하고 이런 식으로 만들어진 반도체를 n형 반도체라고 한다. 반면 4족 원소에 갈륨(Ga)같은 3족 원소를 첨가하면 공유결합을 할 때 전자의 부족으로 인해 (+)전하를 띤 구멍인 정공이 생기며 이런 식으로 만들어진 반도체를 p형 반도체라고 한다.

    순방향으로 전류가 흐를 땐 p형 반도체층 내부영역의 양공은 낮은 전위의 n층으로, n형 반도체층 내부영역의 전자는 전위가 높은 p층 쪽으로 이동하여 전류가 잘 흐르게 된다. 반면에 역방향으로 전류가 흐를 땐 p형 반도체층 내부영역의 양공은 낮은 전위의 (-)전극 쪽으로, n형 반도체층 내부영역의 전자는 전위가 높은 (+)쪽으로 끌리기 때문에 두층 사이에 결핍 층이 생겨 다이오드의 전기저항이 매우큰 절연체와 같아진다.

     

    옴의 법칙을 따르는 저항을 옴 회로요소라 부르고 이는 선형회로요소라 불리기도 한다. 그러나 옴의 법칙은 근사적으로 성립하는 특수한 경우이고 상당수의 도체들은 옴의 법칙을 따르지 않는다. 반도체, 진공관, 온도센서 등이 옴의 법칙을 따르지 않는 비선형 회로요소이다.



    실험 방법

    . 옴의 법칙

    1. 실험 회로판을 꾸민다.

    2. 회로에 전기저항을 연결하고 저항의 양끝사이의 전압이 0V가 되도록 가변저항을 조정한다.

    3. 가변저항을 조정하여 저항 양단에 걸리는 전압을 0.2V씩 증가시키면서 각각의 전위차와 전류를

    표에 기록하고 그래프를 그린다.

    4. 저항에 걸리는 전류의 방향을 바꾸기 위해서 저항의 방향을 바꾸어 2,3번을 되풀이한다.

    5. 저항을 바꿔서 2,3,4의 과정을 되풀이한다.

     

    . 다이오드의 특성

    1. .실험에서의 저항을 다이오드로 바꾼다.

    2. .실험에서 2,3,4,5 의 과정을 되풀이하여 다이오드에 특성을 알아본다.



    실험 결과

    . 옴의 법칙

     

    1) 띠색깔에 따른 저항값 계산 및 측정

     


    2) 옴의 법칙




    . 다이오드의 특성


    1) 첫 번째 다이오드



    2) 두 번째 다이오드

     



    실험 분석 및 토의

    이번 실험에서 측정값과 이론값의 오차는 거의 없었다. 가장 큰 오차값이 5%였고 대부분의 오차가 1%내외로 발생하였다. 저항의 오차범위 안에서 발생한 오차이기 때문에 이번 실험의 측정값은 매우 잘나왔다. 덕분에 옴의 법칙인 V=IR 식을 이용 전압 전류그래프를 그리니 이론처럼 전압의 상수배로 전류가 증가한다는 것을 쉽게 알 수 있었다. 또한 저항의 색깔 띠를 통해 저항값을 을 읽는 방법을 알 수 있었다.

    저항체의 전압 전류그래프를 그리면 선형인 그래프가 나왔다. 하지만 다이오드에 전압을 일정하게 올려 그 전류값을 측정하여 만든 전압 전류그래프를 살펴보면 전류값이 0.5V정도를 기점으로 급격하게 크게 증가한다는 경향성을 발견할 수 있다. 이는 다이오드가 옴의법칙을 따르지 않는 비선형회로요소라는 것을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 그런데 실험을 하고 돌아와서 보니 두 번째 실험에서는 전압을 증가시키는 것이 아니라 전류를 증가시키는 실험을 하라는 것이었다. 그래서 다른 반에서 실험을 한 친구의 데이터를 참고해 보았더니 이 실험에서도 역시 0.5V근처에서부터 전류가 흐르기 급격하게 흐르기 시작한다는 것을 알 수 있었다.

    그리고 저항체에 역전압을 주면 순방향과 마찬가지 크기의 전류가 흐른다는 것을 알 수 있었던 반면에 다이오드에 역전압을 주면 전류가 흐르지 않는다는 것을 그래프를 통하여 알 수 있었다.

    이번 실험을 통해 반도체와 저항체에 대한 특징과 옴의 법칙에 대해서 조금이나마 알 수 있게 되었다


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