전류계와 전압계 연결

교육과정: KS3, cycle 4, Sek I

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목표

전류계는 회로의 한 부분에 직렬로, 전압계는 병렬로 연결하는 방법을 익힙니다.

실험 장치

6 V 전압원, 전류계, 100 Ω 저항이 있고, 전압계가 저항에 병렬로 연결되어 있습니다. 두 계기는 DC 모드입니다.

실험 방법

1. 전류계와 전압계의 측정값을 기록하세요.
2. 부품 패널에서 전류계를 하나 더 끌어다 놓고, 케이블로 저항에 병렬로 연결하세요.
3. 추가한 전류계를 삭제하고 전원 버튼으로 전압원을 켜세요.
4. 전압계를 회로에 직렬로 연결하세요. 전류계와 저항 사이의 케이블을 빼고 전압계의 케이블을 옮기세요 — “+”에 꽂힌 케이블은 전류계의 출력 단자로, “−”에 꽂힌 케이블은 저항의 왼쪽 소켓으로 옮기세요. 두 계기의 측정값을 기록하세요.

예상 결과

전류계는 약 59.6 mA, 전압계는 약 5.96 V를 표시합니다. 병렬로 연결한 전류계는 저항이 거의 없어서 저항을 단락시킵니다. 회로에는 전압원의 내부 저항과 두 전류계만 남습니다. 전류가 7 A를 넘고, 과부하 보호 장치가 전압원을 끄며, 전원 표시등이 빨간색으로 깜박입니다. 추가한 전류계를 삭제하고 전압원을 켜면 측정값은 이전과 같아집니다.

직렬로 연결한 전압계는 전압원 전압의 거의 전부인 약 6.00 V를 표시하고, 전류계는 사실상 0(1 마이크로암페어 미만)을 표시합니다. 전압계의 저항 10 MΩ은 저항의 저항값보다 10만 배 크므로 전류를 거의 흘려보내지 않습니다. 이때 저항에는 전압이 거의 걸리지 않습니다. 직렬로 연결한 계기가 전압을 모두 “가져갑니다”.

질문

1. 전류계의 저항은 작아야 하고 전압계의 저항은 커야 하는 이유는 무엇입니까?
2. 직렬로 연결한 전압계가 전압원의 전압에 가까운 값을 표시하는데 회로의 전류는 사라지는 이유는 무엇입니까?

답

1. 전류계는 직렬로 연결되므로 그 저항이 회로에 더해지며, 계기가 측정하는 전류를 스스로 줄이지 않으려면 저항이 작아야 합니다. 여기서는 100 Ω에 비해 0.1 Ω입니다. 전압계는 병렬로 연결되어 측정하는 구간을 우회하는 전류의 일부를 끌어가는데, 100 Ω에 비해 10 MΩ이면 그 양은 저항에 흐르는 전류의 약 10만분의 1입니다.
2. 직렬연결에서는 전압계의 10 MΩ이 100 Ω 저항에 더해지므로, 전류는 \(I = U / R\) ≈ 6 V / 10 MΩ = 0.6 µA에 불과합니다. 이 전류에서 저항에 걸리는 전압은 약 60 µV뿐이고 전류계와 전압원에는 그보다도 적게 걸리므로, 6 V의 거의 전부가 전압계에 걸립니다.