휴대폰 충전기부터 국가 전력망에 이르기까지 모든 전기 및 전자 장치는 1845년 구스타프 키르히호프가 정립한 두 가지 규칙을 바탕으로 설계되고 진단됩니다. 이는 새로운 자연의 힘이 아니라 회로의 언어로 쓰여진 두 가지 보존 법칙입니다. 키르히호프의 전류 법칙은 임의의 접합점으로 흘러들어가는 전류의 합은 흘러나오는 전류와 같다고 말합니다. 즉 전하가 보존되므로 노드에 쌓이거나 사라질 수 없습니다. 키르히호프의 전압 법칙은 닫힌 회로망 주위의 전압 상승과 강하의 합이 영이 된다고 말합니다. 즉 에너지가 보존되므로 회로망을 한 바퀴 돈 전하는 처음 시작했을 때의 에너지를 유지한 채 돌아오게 됩니다. 옴의 법칙과 함께 이 법칙들은 어떠한 저항 회로망이라도 풀기에 충분하며, 이것이 모든 전자공학 과정에서 가장 먼저 다루어지는 도구인 이유입니다. 이번 실험에서 여러분은 이 두 법칙을 직접적인 실험을 통해 검증하게 될 것입니다. 12V 공급 장치에 동일한 세 개의 저항(100 Ω, 200 Ω, 300 Ω)을 사용하여 직렬 회로와 병렬 회로를 각각 구성하고, 멀티미터를 사용하여 모든 지점의 전류와 모든 소자의 전압을 측정한 뒤, 각 접합점의 전류와 각 회로망 주위의 전압이 두 법칙의 요구에 정확히 부합하는지 확인할 것입니다.
교육 목표
키르히호프의 법칙 이해하기
- 현재 법률(접합부로 들어오는 전류의 합은 나가는 전류의 합과 같다)과 전압 법칙(폐회로 주변의 전압 강하의 합은 공급 전압과 같다)을 직렬 및 병렬 회로에 적용합니다.
- 두 법칙을 회로 언어로 표현된 전하 보존 법칙과 에너지 보존 법칙으로 인식합니다.
회로 조립
- 브레드보드에 동일한 세 개의 저항으로 직렬 회로와 병렬 회로를 각각 구성하고, 저항의 색띠를 통해 부품의 값을 읽으세요.
멀티미터 사용법
- 부품과 직렬로 연결하여 전류를 측정하고, 병렬로 연결하여 전압을 측정하되, 각각에 맞는 올바른 모드와 연결 방식을 선택하십시오.
- 체계적으로 측정하라: 각 회로의 모든 지점에서의 전류와 모든 부품 및 전원의 전압을.
이론을 실제에 연결
- 측정하기 전에 옴의 법칙과 등가 저항으로부터 모든 전류와 전압을 예측한 다음, 예측값과 측정값을 비교하십시오.
분석적 사고
- 공칭값을 기준으로 백분율 오차를 사용하여 계산값과 측정값 간의 불일치를 평가하고, 허용 오차 범위를 해당 오차에 대한 제조업체의 보장된 한계로 해석합니다.
프로토콜
- 3개의 저항을 직렬로 연결하세요.
- 전원을 켜고 12V로 설정하세요.
- 각 저항기의 출력부에서 전류 세기를 측정하십시오.
- 소스에서 전류 세기를 측정하세요.
- 각 저항 양단의 전압을 측정하세요.
- 소스에서 전압을 측정하십시오.
- 회로도를 저장하고 분해하시오.
- 3개의 저항을 포함하는 병렬 회로를 설정하십시오.
- 2단계부터 7단계까지 반복하십시오.
예상 결과
부품 값. 전원 공급 장치 12V. 세 개의 저항은 다음과 같습니다:
| 저항기 | 색띠 | 액면가 |
|---|---|---|
| R1 | 갈색 – 검은색 – 갈색 – 갈색 | 100 Ω ±1% |
| R2 | 빨강 – 검정 – 갈색 – 갈색 | 200 Ω ±1% |
| R3 | 오렌지 – 블랙 – 브라운 – 브라운 | 300 Ω ±1% |
직렬 회로, 1단계부터 7단계까지. 총 저항은 100 + 200 + 300 = 600 Ω이므로, 전류는 12 V / 600 Ω = 0.020 A입니다.
| 측정 | R1 | R2 | R3 | 출처 |
|---|---|---|---|---|
| 현재 (3단계, 4단계) | 0.020 A | 0.020 A | 0.020 A | 0.020 A |
| 전압 (5단계, 6단계) | 2 V | 4 V | 6 V | 12V |
병렬 회로, 8단계 및 9단계. 합성 저항은 1/R = 1/100 + 1/200 + 1/300으로 주어지므로, R = 54.5 Ω이다.
| 측정 | R1 | R2 | R3 | 출처 |
|---|---|---|---|---|
| 현재 | 0.120 A | 0.060 A | 0.040 A | 0.220 A |
| 전압 | 12V | 12V | 12V | 12V |
오차율. 각 측정된 저항값은 다른 측정값과 비교하지 말고, 색상 띠가 나타내는 공칭값과 비교하십시오: 오차율 = (측정값 − 공칭값) / 공칭값 × 100. 네 번째 밴드는 제조사의 허용 오차를 나타내므로, ±1%로 표시된 100 Ω 저항기는 99 Ω에서 101 Ω 사이에만 속한다는 것이 보장됩니다. 이 시뮬레이션에서 소자는 이상적이며 멀티미터는 공칭값을 정확히 표시하므로, 모든 백분율 오차는 다음과 같이 계산됩니다. 0.0%. 이것이 바로 정답이며, 그 이유를 명확히 밝힐 필요가 있습니다. 허용 오차 범위는 오차의 상한을 나타낼 뿐, 오류가 발생할 것이라는 예측을 의미하지는 않습니다. 실제 실험실 환경에서는 동일한 계산을 수행했을 때 0이 아닌 작은 수치가 산출될 것이며, 결과가 ±1% 범위를 벗어난다면 이는 정상적인 분산이 아니라 결함이 있는 부품이나 측정상의 문제를 시사하는 것입니다.
직렬 회로 분석
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현재 측정값본문: 학생들은 직렬 회로의 모든 지점에서 동일한 전류 값을 관찰하여 KCL을 검증할 것입니다.
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전압 측정저항기들에 걸친 전압 강하의 합)는 KVL을 확인하면서 소스 전압(12V)과 같아질 것입니다.
병렬 회로 분석
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현재 측정값: 총 전류는 개별 저항기를 통과하는 전류의 합과 같으며, 이는 KCL을 따릅니다.
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전압 측정병렬 저항에 걸리는 동일한 전압은 KVL 예측과 일치합니다.
계산
-
학생들은 총 저항을 계산할 것입니다) 두 회로 모두에 대해 이론적인 값(예:, ) 실험 결과와 함께 .
학년별 과제 요약
9~10학년
초점: 관찰 가능한 패턴으로서의 회로 동작. 학생들이 직렬 및 병렬 회로를 조립하고, 전류와 전압 측정값을 모두 측정하며, 두 가지 패턴을 말로 설명한다. 직렬에서는 전류가 모든 곳에서 같고 전압이 공급 전압을 나누어 가지며, 병렬에서는 전압이 모든 곳에서 같고 전류가 총 전류를 나누어 가진다. 학생들은 두 구성을 한눈에 구별하고 멀티미터의 두 가지 모드에 대한 초기 숙련도를 얻는다.
11학년
초점은 측정 전 예측입니다. 학생들은 각 회로의 등가 저항(직렬 600 Ω; 역수의 합을 통한 병렬 54.5 Ω)을 계산하고, 옴의 법칙으로 모든 전류와 전압을 예측하며, 2 + 4 + 6 = 12 V 및 0.120 + 0.060 + 0.040 = 0.220 A와 같이 각 접합점과 회로 고리의 합을 명시적으로 검증합니다. 또한 공칭 부품 값에 대한 백분율 오차를 계산하고 색 코드 띠를 직접 읽습니다.
12학년 / 대학교 수준
초점: 보존 법칙으로서의 법칙들. 학생들은 전하 보존 법칙으로부터 전류 법칙을, 그리고 전위의 경로 독립성으로부터 전압 법칙을 정당화하고, 컨덕턴스(전도도)로부터 병렬 연결 공식을 유도하며, 오차 범위를 산포의 예측이 아니라 소자 오차에 대한 상한값으로 올바르게 다룬다. 그들은 분석을 전력까지 확장하여, 두 회로 모두에서 소스 전력이 저항들에서 소비되는 전력의 합과 같음을 검증하고, 어떤 물리적 저항이 가장 높은 전력 정격을 필요로 하는지 그리고 그 이유를 파악한다.
실험실 필수품
악기
- 브레드보드
- 저항: 100 Ω, 200 Ω, 300 Ω (±1 %)
- 전선 연결
- 멀티미터
- 전원 공급 장치 (12V)
제품
없음 — 이 실험실에서는 화학 시약을 전혀 사용하지 않습니다.