[물리실험] 전류센서를 이용한 전자기 유도

[물리실험] 전류센서를 이용한 전자기 유도

 

 

Ⅰ. 실험목표

- 전류 센서 및 인터페이스를 이용하여, 자체유도와 상호유도를 실험을 통하여 관찰하여 본다.

전류 센서

 

Ⅱ. 이론적 배경

 

- 전류센서(Current Sensor)

(1) 개요
전류센서는 전기회로내의 임의의 점에서 전류를 측정하는 센서이다.
유입전류는 1.00Ω, 2 W 저항을 흐르기 때문에 저항에 걸리는 전압은 저항을 흐르는 전류와 같다.
(2) 응용실험: R-L-C 회로 실험
(3) 규격
① 분해능- 5mA(1X gain), 0.5mA(10X gain), 최대 입력전류:1.5A (최대전압:1.5V)
② Maximum common mode voltage--10 V* * DC or AC RMS (root mean square)
* 전류센서의 원리
- 전류센서 내에 1Ω의 저항이 있어, 그에 대한 전류 값과 전압 값을 측정한다.

1. Fraday 전자기유도

- 자기선속 :

- Faraday’s law : 도선 고리를 지나는 자기선속이 시간에 따라 변하면 고리에 유도전류가 흐른다. 전류를 흐르게 하는 기전력을 유도기전력이라 한다.

2. 자기선속을 바꾸는 방법

- 코일 속의 자기장의 세기를 바꾼다.
- 자기장 속에서 코일의 넓이를 바꾼다.
- 자기장의 방향에 대한 코일의 방향을 바꾼다.

3. 렌츠의 법칙

- 유도전류의 방향 : 자기력선 수의 변화를 줄이도록 흐름.

 

4. 자체유도

- 코일에 전류가 변화할 때 유도기전력이 생긴다.

5. 상호유도

 

 

Ⅲ. 실험도구 및 방법

 

1. 실험도구 및 재료

: 인터페이스, 전류 센서, 건전지, 건전지 끼우개, 집게전선, 코일, 자석, 철심, 스위치

2. 실험과정

실험 1. 자체유도

① 인터페이스와 전류센서를 설치하고, 프로그램을 초기화 한다.
② 코일과 전류센서를 집게 전선으로 연결한다.
③ 코일 사이로 자석을 낙하시키고, 그에 따른 전류의 변화를 관찰한다.
※ 주의!!! 관찰시, 자석의 방향과 유도되는 전류의 방향을 생각하며 관찰한다.
+ 추가실험 : 자석의 방향을 바꿔보고, 자석의 속력을 달리하여 본다.

실험 2. 상호유도

① 인터페이스와 전류센서를 설치하고, 프로그램을 초기화 한다.
② 다음의 그림과 같이, 실험도구를 설치한다.

③ 두 코일이 철심에 의해 고정 된 상태에서 하나의 코일에 스위치를 열고 닫음으로 전류를 흘려준다.
④ 그에 따른 다른 코일의 전류 변화를 관찰한다.
+ 추가실험 : 전류가 일정한 상태에서 코일을 움직여 상호유도를 알아보고, 한 코일은 스위치를 열고 닫기만 하지만 다른 한 코일의 위치를 여러 방향으로 배치하여 관찰하여 본다.

Ⅳ. 실험결과

실험 1. 자체유도

 

- 이 그래프는 자석의 낙하에 의한 유도전류의 방향과 크기를 나타낸다. 방향은 렌츠의 법칙에 의해 결정되며, 패러데이의 법칙에 따라 속력이 빠를수록 전류의 크기는 크다.

실험 2. 상호유도

 

- 스위치를 열고, 닫음으로 인하여 다른 코일의 내부에 자기선속의 변화를 야기하여 전류가 흐르게 된다. 여기서 철심은 선속을 모아주는 역할을 한다.

- 고찰 : 전류가 일정한 상태에서 코일을 움직였을 때는, 위와 같은 결과를 관찰할 수 있다. 어떻게 생각하면 당연한 결과이다. 하나의 코일이 자석과 동일한 역할을 하기 때문이다. 그러나 한 코일은 스위치를 열고 닫기만 하지만 다른 한 코일의 위치를 여러 방향으로 배치하여 관찰하는 실험은 결과를 얻기 힘들었다. 직류전원 즉, 파워서플라이와 건전지를 통하여 최대한의 전류의 변화를 만들고자 하였지만, 코일의 단위 길이 당 감긴 횟수가 적어 센 자기장을 만들 수 없었다. 그래서 철심 없이 바로 앞에서도 전류의 변화를 관찰할 수 없었다. 혹시나 해서 검류계를 이용하여 보았지만, 역시나 관찰할 수 없었다.

Ⅴ. 추가 사항

- 우선, 전류센서의 원리를 알고자 전류계와 오실로스코프의 원리를 조사하였지만, 전류센서를 제대로 이해하지 못 한데에 대한 헛수고가 따랐다. 그리고 우리는 맴돌이 전류에 대한 미비한 지식 아래 맴돌이 전류를 관찰하고자 하였다. 하지만 Open Physics 때나 졸업 작품으로 선보인 맴돌이 전류에 대한 실험은 결과가 뚜렷한 반면, 전류센서를 통해서는 그에 대한 결과를 얻기가 힘들었다. 이번 실험하면서 정말 여러 가지로 시도는 하였지만, 철저한 지식 없이 행하였던 점이 아쉬움으로 남는다. 그 중 우리는 축전기를 만들고자 많은 시도를 하였다. 구리판, 알루미늄 판, 그리고 호일로 말아보고, 펴보고, 여러 겹으로도 해보았지만, 축전기는 되지 않았다. 공식에 근거한 수치를 계산해보지 않은 결과라 할 수 있다. 그리고 일반물리 책에 있는 R-L회로에 의한 결과 값을 관찰해 보고자 하였지만, 그 또한 우리의 생각이 틀렸음을 알 수 있었고, 정정할 수 있었다. 이는 이미 있는 지식에 실험을 끼워 넣고자 한 결과라 생각한다. 아쉬운 점은 많은 시간을 투자하였지만, 그에 대한 결과는 적었다. 이는 실험을 통하여 결과를 확인한다는 차원을 넘어서 창의성이 필요하였다고 생각한다. 여하튼 아쉬움이 많이 남는 실험이었다.

 

2021.09.22 - [물리실험] 움직이는 유체 내에서 물체가 받는 힘

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