기초물리개념, 전기단위, 측정장치 전자공학전공 1
학습목표 (1) 원소와원자의구성및특성을학습한다. (2) 전자의흐름과관련하여물체의특성및현상에대하여이해한다. (3) 전압과전류, 저항에대하여학습한다. (4) 전력과에너지에대하여이해한다. (5) 계측기의작동원리에대하여알아본다. 전자공학전공 2
기초물리개념 원소와원자 원소와원자 (1) 원소 (element) - 어떠한화학변화로도더이상분해되지않는물질 (2) 원자 (atom) - 물질을구성하는가장작은입자 - 원자구조가서로약간만달라도그고유성질에주요한차이를보임` 양성자, 중성자, 원자번호 (1) 원자핵 - 원자핵 : 원소의정체성부여, 양성자와중성자로구성 - 양성자 (proton) : 전하유지 - 중성자 (neutron) : 전하없음 (2) 원자번호 - 원자핵속에있는양성자의수 - 원소의정체성을결정 전자공학전공 3
기초물리개념 원소와원자 동위원소와원자량 (1) 동위원소 (isotope) - 원자번호는같으나중성자수가서로다른원소 - 각원소는하나의특정한동위원소를가짐 - 원소의중성자수를변화시키면원소의원자량과밀도가변화 (2) 원자량 (atomic weight) - 원자핵의양성자수와중성자수의합과거의동일 전자공학전공 4
기초물리개념 원소와원자 전자 (1) 전자 (electron) - 원자핵을둘러싼양성자와반대되는전하 (electric charge) - 양성자와똑같은전하량을가지며, 극성은반대 Cf. 음극 (negative) : 전자의전하양극 (positive) : 양성자의전하 - 일반적인원자의전자수는양성자와동일 : 전기적중성의미 (2) 원자의초기모델 (3) 원자내에서에너지를얻는전자 전자공학전공 5
기초물리개념 원소와원자 이온과화합물 (1) 이온 (ion) - 전하 ( 양전하또는음전하 ) 를띠는원자 - 이온화된물질 : 많은이온을포함하고있는물질, 일반적으로전기잘통함 (2) 화합물 (compound) - 원소끼리전자를공유하며결합한결과물 ( 예 ) 수소원자 2 개 + 산소원자 1 개 = 물분자 - 원소의단순한혼합 (mixture) 과는달리각원소의고유성질을잃음 < 물분자의단순도식 > 전자공학전공 6
기초물리개념 원소와원자 분자 (1) 분자 (molecule) - 여러개의원소의원자가결합하여화합물을형성할때생기는입자 ( 예 ) 산소분자 : O 2, 물분자 : H 2 O, 오존 : O 3 - 모든물질은분자로구성되어있으며, 항상운동하고있음 - 온도가높을수록분자의운동은더빨라짐 < 고체분자정렬의단순모형 > < 액체분자정렬의단순모형 > < 기체분자정렬의단순모형 > 전자공학전공 7
기초물리개념 전자의이동 전도체와절연체 (1) 전도체 (conductor) - 전자의이동이쉬운물질 ( 예 ) 은, 구리, 수은, 소금물 - 기체나기체혼합물은일반적으로전기전도성이좋지않음원자나분자가보통서로멀리떨어져있어전자를서로교환하기어렵기때문 - 전기전도체에서전자는한원자에서다음원자로이동 (2) 절연체 (insulator) - 전기나열을전달하기어려운성질을가지는물질 ( 예 ) 기체, 유리, 나무, 플라스틱 - 유전체 : 전하를따로떨어져있게하여두곳의전하차이를평준화, 전자의흐름을방지 ( 응용예 ) 캐패시터, 애자 전자공학전공 8
기초물리개념 전자의이동 저항기 (1) 저항기 (resistor) - 전류제어를목적으로전도성을변화시키도록만든전기부품 - 저항기가전류를잘흘릴수록저항기의저항 (resistance) 은낮아지고, 잘흐르지않을수록저항은높아짐 - 단위 : ohm 전류 (1) 전류 (current) - 전하운반자의이동 : 전기흐름을의미 - 초당쿨롱 (coulomb) : 초당전하운반자의수 Cf. 1쿨롱 = 6,240,000,000,000,000,000개의전자 - 암페어 (ampere) : 초당 1쿨롱의전류, 전류의표준단위 전자공학전공 9
기초물리개념 전자의이동 반도체 (1) 반도체 (semiconductor) - 도체와절연체의중간정도의전기전도도를갖는물질 - 불순물을첨가하는도핑과정거쳐서생성 (2) N 형반도체 - 대부분의전하운반자가전자 - 주기율표상의 5 족 (P,As) 불순물도핑 : 도너 (donor) 준위 (3) P 형반도체 - 대부분의전하운반자가정공 - 주기율표상의 3 족 (B, Al, Ga) 불순물도핑 : 억셉터 (acceptor) 준위 전자공학전공 10
기초물리개념 전자의이동 정전기와기전력 (1) 정전기 (static electricity) - 전자가흐르지않고물체에축적되거나부족하여발생 ( 예 ) 머리카락, 번개 (2) 기전력 (EMF, electromotive force) 마찰전기 1 마찰전기 2 밴더그래프발전기 1 밴더그래프발전기 2 물방울발전기 - 양극 ( 전자의부족 ) 과음극 ( 전자의초과 ) 으로전하가축적될경우존재 - 전류의흐름생성 - 단위 : 볼트 (Volt) Cf. 전위 (potential), 전위차 (potential difference) : Cf. 비전기적에너지 : 전자공학전공 11
1. 쉽게미로를빠져나오는방법은? 도구를사용하지않고복잡한미로를쉽게빠져나올수있는방법은? 전자공학전공 12
전기단위 전압과전류 전압과볼트 (1) 전압 - 전자의초과나부족과같은정전하의축적 - 두점사이의전위차 : 전기다발선으로표현되는전기장 (electric field) 을생성 - 전자가적어상대적으로양성인극이있으며전자가많아상대적으로음성인극존재 (2) 볼트 - 전압의표준단위 - Volt 의약어 (V) 사용 Cf. 지구상가장큰전압 : 뇌우중에서구름과구름 ( 혹은지상 ) 사이, 수십메가볼트가능 < 전기다발선의단순모형도 > 전자공학전공 13
전기단위 전압과전류 전류와암페어 (1) 전류흐름 - 전위차가있는두극사이에경로가생성되면극간전하가같게되도록전하운반자가흐름 - 전류는전하운반자가흐르는속도율의척도 - 전류는전압에정비례 (2) 암페어 - 전류의표준단위 - 암페어 (ampere) 의약어 (A) 사용 전자공학전공 14
전기단위 저항과컨덕턴스 저항과옴 (1) 저항 - 전류의흐름을방해하는정도의척도 - 저항은전선의지름에반비례 : 전류통로의단면적에반비례 - 일정한전압에대한전류흐름은저항에반비례 (2) 옴 - 저항의표준단위 - 옴 (ohm), 그리스대문자오메가 (Ω) 사용 < 전류에대한저항기의전위차 > Cf. 컨덕턴스 (conductance) - 저항과반비례관계, 표준단위 : 지멘스 (simense) 의약어 (S) 사용 Cf. 초전도 (superconductivity) - 저항재료를통하여흐르는전류가있으면저항소자 ( 저항기 ) 를가로질러전위차가존재 - 어떤금속이절대 0 도에가까운온도로냉각되면저항이거의사라짐 : 초전도 - 완전한무저항의전도체는될수없음 전자공학전공 15
전기단위 전력및에너지 전력과와트 (1) 전력 - 전류가저항을통하여흐를때마다열이발생 - 열은와트 (watt) 로측정, 전기적동력전력 (power) 을의미 - 기계적운동, 무선파, 가시광, 소음과같은형태로나타남 - 전력의또다른형태인열은전기또는전자기기에언제나존재 ( 예 ) 효율 100% 의장비는없음, 어느정도의전력은낭비, 열형태로남음 (2) 와트 - 전력의표준단위 - 전압 E(V), 전류 I(A), 전력 P=EI (W) 전자공학전공 16
전기단위 전력및에너지 전력과와트 제곱 접두어 기호 10 12 Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo K 10-3 Milli m 10-6 Micro 10-9 Nano n 10-12 Pico p 10-15 Femto f 10-18 Atto a 전자공학전공 17
전기단위 전력및에너지 에너지와줄 (1) 에너지 - 에너지는주어진시간에걸쳐소모된전력을의미 - 전력 (power) 과에너지 (energy) 는상이개념 Cf. 전력 : 에너지가소비되는속도 (2) 줄 - 에너지의표준단위 : 줄 (joule) 의약어 (J) 사용 - 1 (J) = 1 (W s) = 1 (watt second) : 1초동안에소모된전력 1 watt 의미 - 1 (W h) = 1 (watt hour) : 1시간동안에소모된전력 1 watt 의미 전자공학전공 18
전기단위 교류와헤르츠 교류와헤르츠 (1) 교류 (ac, alternating current) - 주기적으로방향과강도가바뀌는전류 - 가정설비전류는매 1/120 초마다한번씩주기적으로방향을뒤바꿈 - 교류파형에대한유효전압 (effective voltage) 은순간최대 (instantaneous maximum) 전압또는정점 (peak) 전압과같지않음 - 통상의파형에대해유효값은정점값의 0.707 배 - 정점값은유효값의 1.414 배 Cf. 직류 (dc, direct current) : 항상같은방향으로흐르고시간에따라강도변화없음 (2) 헤르츠 - 교류에대한표준주파수 - 주파수 (frequency) : 1사이클이얼마마다반복되는지를나타냄 - 헤르츠 (hertz) : 초당사이클 (cycles per second) - 헤르츠 (hertz) 의약어 (Hz) 사용 전자공학전공 19
전기단위 정류및맥동직류 정류와맥동직류 (1) 정류 (rectification) - 교류가직류로바뀌는과정 - 다이오드 (diode) 사용 (2) 맥동직류 (pulsating dc) - 반파정류 (half-wave rectification) : 파형의반만포함 - 전파정류 (full-wave rectification) < 직류 > < 반파정류 > < 전파정류 > 전자공학전공 20
전기단위 - 자성 자기장과웨버 (1) 자성 (magnetism) - 전류가흐를때마다 ( 즉, 전하운반자가이동할때 ) 자기장이전류와동시에발생 - 전류가흐르는직선전선에서자속선 (magnetic lines of flux) 은전선을원형으로발생 - 단위단면적당어떤수의자속선은자기장의세기에대해말하는상대적인방법 전류에의한자기장 1 전류에의한자기장 2 전류에의한자기장 3 < 전류흐르는도선근처의자속선 > 전자공학전공 21
전기단위 - 자성 (2) 웨버 (weber) - 자성에대한표준단위 - 웨버 (weber) 의약어 (Wb) 사용 - 1웨버 = 1볼트-초 (1V s) - 1맥스웰 (Mx) = 1웨버의 0.00000001 또는 0.01마이크로볼트-초 (0.01μV s) Cf. 자속밀도 (flux density) - 단위면적당자성의크기 - 평방미터당 1웨버 (1Wb/m 2 ) 의자속밀도 = 1테슬라 (T, tesla) - 1가우스 (G, gauss) = 0.0001T 또는평방센티미터당 1맥스웰 (1Mx/cm 2 ) 전자공학전공 22
측정장치 계측기의작동원리 계측기의작동원리 (1) 전자기 / 정전기편향 (electromagnetic/electrostatic deflection) - 전기및자기장이장의세기에비례하는힘을생성하는성질을이용하여작동 (2) 열적가열 (thermal heating) - 전류가저항에서생성하는열의정도에의해전류를측정하는방법 (3) 회전속도, 주어진시간동안회전수 - 속도가측정량에따라달라지는소형모터를갖추고있는측정방법 (4) 전자계수기 (electronic counter) - 수천, 수백만, 또는수십억단위로전자펄스를합산하는측정방법 전자공학전공 23
측정장치 계측기의소개 - 아날로그계측기 : 전류, 전압의빠른변화를사실적으로표현영점조정필요 ( 동작영역설정후 ) - 디지털계측기 : 쉽고정확하게표현 - 단자 : 붉은색 ( 양극 ), 검은색 ( 음극 ) 계측기의종류 - 전류계 : 회로에서주어진점을지나는전자의개수측정 - 전압계 : 회로에서두점사이의전위차를측정 - 저항계 : 장치를통해전류가흐르도록유도하여장치에전압이걸리도록함 전자공학전공 24
측정장치 멀티미터 - 아날로그멀티미터 : 전압저항계 (volt-ohm-milliammeter : VOM) - 전압측정 : 회로와병렬로연결, 높은등급에서우선측정 - 전류측정 : 회로와직렬로연결 - 저항측정 : 영점조정 ( 배터리소모에의한오차보정 ) - 디지털멀티미터 : DMM, 자동범위조정, 순간변화값측정이불리 전류의측정 - 회로에전류계를연결할때반드시전원끄고직렬로연결한다. - 아날로그전류계를회로와병렬로연결하면계측기혹은회로에손상 ( 작은내부저항 ) - 전류계를전압원과직접연결은안됨 - 클립전류계 (clip-on ammeter) : 전자기장을이용하여측정 전자공학전공 25
측정장치 전압의측정 - 아날로그전압계가직렬로연결되면큰전류로인해계측기손상 - 매우높은내부저항 (10M옴) -> 측정할회로와병렬연결 - 전압계에읽혀진전압은실제전압보다작다. 저항의측정 - 저항계를회로나부품에병렬연결 - 회로에서부품을측정하기위해서는부품의한쪽끝을끊어야함 - 연속성검사 : 개방, 단락, 폐회로검사 - 비퍼기능 ( 디지털멀티미터 ) - 신체저항의영향주의 전자공학전공 26
측정장치 계측기의눈금읽기 - 1V or 1A, 7V or 7A - 큰눈금, 작은눈금 - 2.5V or 2.5A - 4.65V or 4.65A 전자공학전공 27
측정장치 - 저항계의눈금은오른쪽에서왼쪽으로읽음 ( 비선형 ) - 1.5 옴 - 200 옴 전자공학전공 28
질의응답 전자공학전공 29