일반물리실험 - RLC로 이루어진 교류회로에서의 임피던스
⊙ 실험목적
교류회로에서 저항, 콘덴서, 코일의 저항 성분인 임피던스를 측정하여 그 개념을 이해하고 주파수에 따른 임피던스 변화와 교류 회로에서의 전압분배 및 위상차를 살펴본다.
⊙ 이론
1) RLC 소자
RLC 소자들은 구조적 물질적 특성으로 인해 외부의 전압에 대해 각각 다른 양상을 띈다. 저항의 경우 직류에서나 교류에서나 일정한 전기 전도도를 가지기 때문에 무유도성 저항이라고도 불린다. 그러나 콘덴서 (캐패시터) 와 코일의 경우는 직류와 교류일 때의 저항 성분이 다르다. 직류 전원에서 콘덴서 의 경우 직류를 통과할 수 없다. 반면 코일의 경우는 작은 저항값을 가져 전류가 잘 흐르게 된다.
교류의 전원에서는 콘덴서는 낮은 저항 값을 갖는 반면 코일의 경우는 상당한 정도의 저항 값을 갖는다. 이 현상은 특히 주파수가 높을수록 극명히 드러난다. 주파수가 높은 경우의 코일은 저항이 매우 커져 교류 성분을 거의 통과시키지 못하며, 콘덴서의 경우 거의 통과하는 것을 알 수 있다.
2) 교류 회로 (1)
직류회로에서 금속도체 내의 전자는 같은 방향으로 흐른다. 그러나 교류회로에서는 한 방향으로 전류가 흘렀다가 잠시 방향을 바꾸어 다른 방향으로 흐른다. 이와 같은 교류에서는 전압과 전류의 순시 값이 계속 변화한다. 전압 와 전류는 다음과 같이 표현된다.
여기서 VM 과 IM 은 각각 전압과 전류의 최대 값을 나타내며, t 는 시간, 는 2/T 또는 2f 로 각 진동수이고, 는 초기 위상 값이다. 이와 같은 교류 전원을 저항 R, 인덕턴스(유도용량) L, 캐패시턴스(전기용량) C의 직렬회로에 연결하는 경우를 생각해 보자.
이 회로에서 R , L , C 에 걸리는 전압 VR , VL , VC 는
이다. 따라서 교류 전압 V 는
한편, 식(2)의 전류 I 는 식(4)와 (5)에 대입하면
VL = LIMcos(t+) (6)
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2014.09.26
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