전류-전압 특성

교육과정: GCSE (I–V characteristics), 2de, Sek I, A-level, IB B.5

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목표

저항, 필라멘트 전구, 다이오드의 전류-전압 특성을 측정하고 그 모양을 비교합니다.

실험 장치

3 V 전압원 하나가 “+”(왼쪽) 버스와 “−”(오른쪽) 버스를 통해 세 가지에 전기를 공급합니다. 가지마다 전류계가 있고, 부품 양단에 전압계가 연결되어 있습니다. 위쪽에는 100 Ω 저항, 가운데에는 6 V / 3 W 전구, 아래쪽에는 100 Ω 보호 저항이 달린 다이오드가 있습니다.

실험 방법

1. 전압원의 전압을 0에서 6 V까지 1 V씩 바꾸세요.
2. 단계마다 세 부품 모두에 대해 “전압 — 전류” 쌍을 기록하세요.
3. \(I(U)\) 그래프 세 개를 그리세요.
4. 다이오드를 반대로 연결하세요. 다이오드의 두 단자(애노드와 캐소드)에 꽂힌 두 케이블의 플러그를 서로 바꾸고 측정을 반복하세요.

예상 결과

3 V에서: 저항 — 약 2.78 V와 28 mA; 전구 — 약 2.74 V와 314 mA; 다이오드 — 약 0.61 V와 22 mA(실제 실리콘 다이오드는 이 전류에서 전압이 조금 더 높아 약 0.7 V입니다). 저항의 그래프는 직선입니다. 전구의 곡선은 휘어집니다. 필라멘트가 뜨거워지면서 저항이 커져, 6 V에서는 약 12 Ω이 됩니다. 다이오드는 0.5 V 아래에서는 전류가 거의 흐르지 않고, 그 이상에서는 전류가 급격히 커지지만 다이오드에 걸리는 전압은 약 0.6–0.7 V에 머뭅니다. 다이오드를 반대로 연결하면 다이오드의 전류는 0입니다.

질문

1. 전압이 높아지면 전구의 저항이 커지는 이유는 무엇입니까?
2. 다이오드에 저항을 직렬로 연결하는 이유는 무엇입니까?

답

1. 전류가 필라멘트를 가열하고, 텅스텐의 저항은 온도가 높을수록 커집니다. 전압이 높을수록 필라멘트가 더 뜨거워집니다. 3 V에서 전구의 저항은 2.74 V / 314 mA ≈ 8.7 Ω, 6 V에서는 약 12 Ω이며, 차가운 필라멘트의 저항은 최대로 빛날 때 저항의 약 15분의 1에 불과합니다.
2. 약 0.6 V를 넘으면 다이오드의 전류가 매우 가파르게 커지고, 다이오드 자체는 전류를 거의 제한하지 못합니다. 100 Ω 저항이 나머지 전압을 맡아 전류를 정하며, 3 V에서 그 전류는 약 22 mA입니다. 이 저항이 없으면 전압원의 0.5 Ω 내부 저항과 전류계, 케이블만이 전류를 제한하게 되어, 전류가 수 암페어에 이르고 실제 다이오드는 망가질 것입니다.