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1. RLC 회로 실험
1.1. 실험 목적
실험 목적은 기본 전자 소자인 저항(R), 인덕터(L), 커패시터(C)의 특성을 이해하고, 교류 전압을 인가했을 때 각 소자가 주파수의 높고 낮음에 따라 어떻게 동작하는지 살펴보는 것이다. 또한 RC 회로를 이용한 저주파 통과 필터(LPF)와 고주파 통과 필터(HPF)의 원리를 이해하고, RLC 회로의 공진 현상을 실험적으로 확인하는 것이 목적이다.
1.2. 실험 이론
1.2.1. 저항
저항은 전기 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 소자이다. 옴의 법칙에 따르면 전압(V)은 전류(I)와 저항(R)의 곱으로 표현되며, 이는 V=IR로 나타낼 수 있다. 저항의 단위는 옴(Ω)이며, 저항값을 결정하는 요인으로는 길이, 단면적, 재료의 비저항 등이 있다.
비저항은 재료 고유의 특성으로, 단위 길이와 단면적을 가진 도체에 흐르는 전류에 대한 저항을 나타낸다. 비저항이 작을수록 전기가 잘 흐르는 도체이며, 비저항이 크면 절연체에 해당한다. 저항의 길이가 길어지거나 단면적이 작아지면 저항값이 증가하고, 반대로 길이가 짧아지거나 단면적이 넓어지면 저항값이 감소한다.
고정 저항은 저항값이 일정한 수동 소자로, 저항의 재료와 구조에 따라 다양한 종류가 존재한다. 금속 피막 저항, 탄소 필름 저항, 세라믹 저항 등이 대표적인 예이며, 각각의 특성에 따라 사용 용도가 다르다. 가변 저항은 저항값을 조절할 수 있는 소자로, 가변 저항기와 포텐셔미터가 대표적이다.
저항은 교류와 직류 회로 모두에서 전압과 전류의 선형적 관계를 유지하는 특성을 가진다. 따라서 교류 회로에서도 옴의 법칙이 성립하며, 저항의 역할은 직류 회로와 동일하다. 다만 인덕터와 커패시터가 포함된 RLC 회로에서는 주파수에 따른 임피던스 변화로 인해 저항, 인덕터, 커패시터의 상대적인 영향이 달라진다.
1.2.2. 인덕터
인덕터는 자신을 통과하는 전류의 변화를 방해하는 방향으로 작용하는 수동소자이다. 전류를 자기에너지 형태로 저장하는 역할을 한다. 인덕터의 척도는 인덕턴스(L)이며, 단위는 헨리(H)이다.
인덕터의 동작 원리는 다음과 같다. 전류가 인덕터를 통과하면 자기장이 발생하고, 이 자기장이 변화하면 렌츠의 법칙에 따라 자기장의 변화를 방해하는 방향으로 전압이 유도된다. 이 유도 전압은 전류의 변화를 방해하는 효과를 가진다. 즉, 인덕터는 전류의 변화를 방해하는 수동소자의 역할을 한다.
직류 회로에서 인덕터는 단순한 도선과 같은 역할을 하지만, 교류 회로에서는 전류의 방향이 주기적으로 변화하기 때문에 인덕터는 전류의 흐름을 방해하는 특성을 가진다. 이 때 인덕터의 리액턴스(XL)는 주파수에 비례하며, 주파수가 높아질수록 인덕터의 리액턴스가 증가한다.
이러한 인덕터의 특성은 여러 전자 회로에서 활용된다. 예를 들어 고주파 신호를 차단하는 저역 통과 필터 회로에서 인덕터가 사용되며, 전력 변환 회로에서도 인덕터가 중요한 역할을 한다. 또한 RLC 공진 회로에서 인덕터는 공진 주파수 결정에 중요한 영향을 미친다.
따라서 인덕터는 전자 회로에서 필수적인 수동소자로, 전류의 변화를 방해하는 특성을 이용하여 다양한 기능을 구현할 수 있다고 할 수 있다.
1.2.3. 커패시터
커패시터는 전압을 전기에너지 형태로 저장하는 수동 소자이다. 커패시터의 척도는 C(커패시턴스)이며 단위는 F(패럿)이다. 역학계에서의 탄성계수와 비슷한 역할을 한다. 커패시터의 기본 원리는 전하량 Q가 전압 V와 커패시턴스 C에 비례한다는 Q=CV의 관계식에 기반한다.
직류에서는 두 판이 떨어져 있기 때문에 커패시터는 open circuit의 역할을 한다. 즉, 판의 윗부분과 아랫부분은 해당 노드와 같은 potential을 갖는다. 그러나 교류에서는 계속해서 파워의 전압이나 전류의 방향이 바뀌기 때문에 커패시터에 저장된 전하가 계속해서 충전 방전된다. 이는 전류/전압 방향이 빨리 바뀌면 바뀔수록 더욱 충방전도 빨라지고 교류에서는 마치 short circuit 처럼 동작한다.
커패시터의 리액턴스는 1/jωC이기 때문에 고주파수에서는 0옴이나 마찬가지이다. 따라서 커패시터는 고주파 전류에 대해서는 개방회로로 동작하고, 저주파 전류에 대해서는 단락회로로 동작한다. 이러한 특성을 이용하여 고주파 통과 필터(HPF) 또는 저주파 통과 필터(LPF)를 구현할 수 있다.
커패시터에서는 전류가 전압보다 90도 위상이 앞서는데 이는 전압과 전류의 관계식에 적분이 들어가서 그렇다. 즉, i=C*dv/dt이므로 전압 v에 대한 적분 형태인 전류 i가 전압에 대해 90도 위상이 앞서는 것이다.
이처럼 커패시터는 교류에서 용량성 리액턴스를 가지며, 직류에서는 open circuit 역할을 하는 등 다양한 특성을 가지고 있어 전기회로 구성에 있어 매우 중요한 소자이다.
1.2.4. 수동소자
수동소자란 공급된 전력을 소비, 축적, 방출하는 소자로 증폭, 정류 등의 능동적인 동작을 하지 않는 소자를 말한다. 저항, 인덕터, 커패시터가 대표적인 수동소자이다.
저항은 전기 저항이라고도 하며, 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타내는 물리량이다. 단위는 옴(Ω)이며, 옴의 법칙에 따라 전압과 전류, 저항의 관계가 V=IR로 이루어진다. 저항은 재료의 비저항 ρ와 길이 L, 단면적 A에 따라 R=ρL/A의 관계가 성립한다. 저항은 교류에서나 직류에서나 전압과 전류...
