전류계와 전압계 연결

교육과정: KS3, cycle 4, Sek I

목표¶

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

실험 원리¶

전류계는 자신을 통해 흐르는 전류를 측정하므로, 회로의 전체 전류가 계기를 지나가야 합니다. 회로를 끊고 그 틈에 전류계를 직렬로 넣으세요. 직렬 회로에서는 어디에서나 전류가 같으므로, 전류계는 저항 앞에서나 뒤에서나 같은 값을 표시합니다. 이상적인 전류계는 저항이 없습니다. 실제 전류계는 회로에 저항을 조금 더하며, 더하는 저항이 작을수록 측정하는 전류를 덜 바꿉니다.

전압계는 소켓이 닿은 두 점 사이의 전압을 측정합니다. 소켓을 구간의 양 끝에, 그 구간과 병렬로 연결하면 회로는 닫힌 채로 남습니다. 이상적인 전압계는 전류를 끌어가지 않습니다. 실제 전압계는 구간을 우회하여 전류를 조금 끌어가며, 저항이 클수록 측정하는 전압을 덜 바꿉니다.

계기의 “+” 소켓은 전압원의 “+” 쪽에 연결합니다. 도선을 바꾸어 연결하면 디지털 계기는 마이너스 부호를 표시하고, 바늘 계기의 바늘은 반대쪽으로, 0 아래로 움직입니다.

두 계기를 서로 바꾸어 연결하면 전형적인 실수 두 가지가 생깁니다.

구간에 병렬로 연결한 전류계는 그 구간을 단락시킵니다. 전류를 제한하는 것은 전압원의 내부 저항과 전류계 자신뿐이며, 실제 계기는 퓨즈가 끊어집니다.
직렬로 연결한 전압계는 전류를 거의 완전히 멈춥니다. 해를 끼치지는 않지만, 구간의 전압 대신 전압원 전압의 거의 전부를 표시합니다.

측정 범위가 다른 단자가 여러 개인 계기는 단자마다 측정 범위가 따로 있습니다. 먼저 도선을 가장 큰 측정 범위에 연결하고, 측정값이 더 작은 범위 안에 들어올 때만 작은 범위로 옮기세요. 그러면 계기가 안전하고, 바늘이 눈금을 더 넓게 사용합니다. 우리 실험 장치의 계기는 각각 소켓이 두 개이고 고를 수 있는 측정 범위가 없습니다.

실험 장치¶

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

실험 방법¶

전류계와 전압계의 측정값을 기록하세요.
두 번째 전류계를 케이블로 저항에 병렬로 연결하세요.
추가한 전류계를 제거하고 전원 버튼으로 전압원을 켜세요.
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. 두 번째 전류계는 자신의 0.1 Ω을 100 Ω 저항에 병렬로 연결하므로, 전류의 거의 전부가 계기를 지나는 길로 흐릅니다. 회로에는 약 0.8 Ω만 남습니다. 전압원의 내부 저항, 두 전류계, 케이블의 저항입니다. 0.8 Ω에 6 V가 걸리면 옴의 법칙에 따라 전류는 7 A를 넘는데, 이는 전압원이 허용하는 값보다 훨씬 큽니다. 과부하 보호 장치가 전압원을 끄고, 전원 표시등이 빨간색으로 깜박입니다. 추가한 전류계를 제거하고 전압원을 켜면 측정값은 이전과 같아집니다.

직렬로 연결한 전압계는 약 6.00 V를 표시하고, 전류계는 사실상 0(1 마이크로암페어 미만)을 표시합니다. 직렬연결에서는 전압계와 회로의 나머지 부분이 각자의 저항에 비례하여 전압원의 전압을 나누어 가집니다(\(U_V = U \cdot R_V / (R_V + R)\)). 약 100 Ω에 대해 10 MΩ이므로 전압계는 6 V에서 10만분의 1을 뺀 전부를 받고, 전류는 약 0.6 µA에 불과하며, 저항에 걸리는 전압은 약 60 µV입니다.

질문¶

전류계는 회로의 전류를 얼마나 줄이며, 전압계는 저항에 흐르는 전류의 몇 분의 일을 끌어갑니까?
직렬로 연결한 전압계가 전압원의 전압에 가까운 값을 표시하는데 회로의 전류는 사라지는 이유는 무엇입니까?

답

전류계가 없으면 회로에는 100 Ω 저항, 전압원의 0.5 Ω, 케이블이 있고, \(I = U / R\)로 계산하면 약 59.7 mA입니다. 전류계는 자신의 0.1 Ω을 더하여 전류를 표시된 59.6 mA로, 약 0.1% 낮춥니다. 저항에 병렬로 연결된 전압계는 약 5.96 V / 10 MΩ ≈ 0.6 µA를 끌어가는데, 이는 저항에 흐르는 59.6 mA의 10만분의 1입니다.
직렬연결에서는 전압계의 10 MΩ이 회로의 나머지 부분의 약 100 Ω에 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. 전압은 저항에 비례하여 나누어지기 때문입니다.