물리실험 레포트 #8(변압기)과 목 명:물리실험반 / 조:제 출 예 정 일:제 출 일:학 과:학 번:이 름:담 당 교 수 명:1. 실험목적- 변압기가 어떠한 원리를 이용하여 교류전압을 증가시키거나 감소시킬수 있는지 알아보고 페러데이의 유도법칙에 의하여 유도전압이 생성되는 원리를 이해- 입력전압과 유도전압의 결과를 확인하여 렌츠의 법칙을 설명할 수 있는지 확인2. 실험 이론1) 렌츠의 법칙- 뉴턴의 운동법칙 중에서 작용 반작용의 법칙은 전자나 원자의 미시세계에서도 적용되는 법칙, 이는 중력 뿐만 아니라 전자기력 등의 모든 힘에 적용되는 법칙- 따라서 이러한 작용반작용의 원리는 전자기학에서도 나타난다. 그림처럼 고정된 도체 고리에 자석의 N극을 가져가면 도체 고리에서는 그림에 그려진 방향으로 전류가 유도- 이 유도 전류는 왼쪽 방향의 자기장을 만들어 증가하는 외부 자속을 막기 위해 발생하는 것. 이 그림에서의 자기력선은 고리의 유도 전류에 의한 것.- 이와 같이 폐회로 주변의 자기장이 변하면, 폐회로 내에서는 자속 변화를 막는 자기장을 만드는 방향으로 유도전류가 발생하게 된다.- 즉, 유도 전류는 회로를 통과하는 원래의 자속을 유지하려고 하는 것으로 렌츠의 법칙은 에너지 보존 법칙의 현상 중의 하나인 것.2) 페러데이의 유도 법칙- 변하는 자기장에 의해서 전류가 유도되는 현상을 확인하기 위해서 앞의 경우에 사용한 도선의 고리에 전류계를 연결하고 막대자석을 움직여서 일어나는 현상을 살펴보면 자석의 N극이 도선 고리쪽으로 움직이면 그림(a)와 같이 전류계의 비늘이 오른쪽으로 움직인다.- 자석을 멈추면 그림(b)에서 보는 바와 같이 전류계의 바늘이 0으로 되돌아 온다.- 다시 자석을 반대 방향으로 움직이면 그림(c)에서 보는 바와 같이 왼쪽으로 움직이는데, 이것은 자석을 가까이 할 때와 반대되는 전류가 유도된다는 것을 알 수 있다.3) 회로에 유도되는 기전력은 회로를 통과하는 자속의 시간 변화율에 정비례- 이 것을 수식으로 표현하면- 비슷한 면적의 N개의 고리로 구성된 코일이면 코일 전체의 유도 기전력은 N개의 고리로 구성된 코일이면 코일 전체의 유도 기전력은 N배가 되어- 이 수식에 있는 음(-)의 부호는 렌츠의 법칙을 의미- 그림을 보면 1차 코일에 의해서 만들어진 자기 선속이 두 코일의 내부를 동등하게 지난다면- 두 식에서 시간에 대한 자기 선속 변화인{d PHI } over {dt}가 같으므로 이 식을 다시 정리하면- 따라서 변압기의 2차 코일의 유도 기전력의 크기는 두 코일의 감은 비율에 따라 달라진다.- 2차 코일의 감은 수(Ns)가 1차 코일의 감은 수(Np)보다 크면 출력전압은 입력 전압보다 크다. 이러한 변압기를 승압변압기라고 한다.- 반대로 2차 코일의 감은수가 1차 코일의 감은 수보다 작으면 출력전압은 입력 전압보다 작고, 이러한 변압기를 강압변압기라고 한다.3. 실험장비1) 변압기 실험을 하기 위해서는 감긴 획수가 다른 Coil과 철심2) 바나나 패치코드 2가닥과 voltage sensor 1개4. 실험방법1) 두 코일의 감긴 수 비율에 따른 유도 기전력 변화6. 실험결과(1) 400회 감긴 1차 코일과 200회 감긴 2차 코일 결과도선의 감은 비 (Ns/Np) = 0.5설정된 전압(V)입력 전압 (V)유도된 전압(V)유도된 비율(Vs/Vp)11.0010.3440.34421.9990.7510.37632.9871.1720.39243.9701.6040.40454.9602.0520.4140.386(2) 400회 감긴 1차 코일과 400회 감긴 2차 코일 결과도선의 감은 비 (Ns/Np) = 1설정된 전압(V)입력 전압(V)유도된 전압(V)유도된 비율(Vs/Vp)11.0010.6930.69221.9931.5010.75332.9742.3400.78743.9653.2130.81054.9554.1130.8300.774(3) 400회 감긴 1차 코일과 800회 감긴 2차 코일 결과도선의 감은 비 (Ns/Np) = 2설정된 전압(V)입력 전압(V)유도된 전압(V)유도된 비율(Vs/Vp)11.0001.3851.38521.9963.0081.50732.9914.7361.58343.9826.4961.63154.9668.3171.6751.556(4) 같은 크기 입력전압 하나에 대해 세 가지 2차 코일의 결과를 한 그래프 화면에 나타내고 분석한다.- 입력한 전압에 대한 유도된 전압의 비율은 감은 횟수의 비율과 같은가?차이가 있다면 그 이유를 설명해 보자>> 전압의 비율은 감은 횟수의 비율과 같지 않다.솔레노이드의 내부 저항과 철심내에 전력손실로 인해 차이가 발생했다또, 실험기구 주변의 전자제품도 영향을 미쳤을 것이다.- 승압변압기의 결과와 강압변압기의 결과를 비교해 보면, 어느 경우에 전압 비율과 감은 수 비율 차이가 큰가? 그 이유는?>> 승압변압기의 결과가 더 비율차가 크다. 승압 변압기 실험에선 감은 횟수가 더 적은걸로 자기장을 주었다.따라서, 강압에 비해 작은 승압의 자기장이 철심을 통해 넘어가면서 더 큰 손실이 발생했기 때문에 더 큰 비율차가 발생했을 것이다.2. 자기 철심의 모양에 따른 기전력 변화 결과(1) 철심의 모양 변화에 따른 전압 측정 결과철심의 모양철심 없을 때I자형 철심U자형 철심ㅁ자형 철심설정한 전압5555입력한 전압5.0094.9974.9934.955유도된 전압0.2122.4491.7444.113유도된 비율0.0420.4900.3490.830(2) 네 가지 경우에 대한 유도 전압을 막대그래프로 나타내어 첨부하고 분석한다. (입력 전압 표시)(3) 철심이 있는 경우와 없는 경우 전압의 비율에 차이가 나는 이유는?>> 철심이 있는 경우에는 철심이 코일로 들어가는 자기장을 모아서 일정하게 잡아주지만, 철심이 없는 경우에는 자기장이 흩어지기 때문에 유도전압이 작아 진다. 따라서 차이가 발생한다.(4) 왜 이 실험에서 직류가 아닌 교유 전압을 사용해야 하는가?>> 유도기전력은 자기장의 방향이 바뀔 때 생기기 때문에 교류전압을 이용해 전류의 세기를 지속적으로 바꿔주어 자기장의 방향도 바꿔주어야 하기 때문이다.
