회로를 끊을 때의 자체 유도

교육과정: APC, Sek II

전체 버전 열기 ↗

목표

인덕터가 들어 있는 회로를 끊을 때 생기는 자체 유도 기전력을 관찰합니다.

실험 장치

6 V 전압원, 스위치(닫힘), 권선 저항이 50 Ω인 20 H 인덕터가 연결되어 있고, 인덕터와 병렬로 6 V / 0.5 W 전구가 연결되어 있습니다. 실험을 열고 2~3초가 지나면 인덕터의 전류가 약 0.12 A까지 커지며, 이는 전구 전류(0.083 A)의 1.4배입니다.

실험 방법

1. 인덕터의 전류가 안정될 때까지 2~3초 기다리세요.
2. 번쩍임을 더 잘 볼 수 있도록 도구 모음에 있는 시뮬레이션 시계의 속도를 ×0.1로 설정한 다음, 스위치를 열고 전구를 관찰하세요.
3. 속도를 ×1로 되돌리고, 스위치를 닫은 뒤 다시 2~3초 기다렸다가 스위치를 여세요.

예상 결과

스위치를 열면 전구가 평소보다 세 배 밝게 번쩍이고 10분의 몇 초 만에 꺼집니다(×0.1에서는 2~3초 만에). 인덕터는 자신의 전류를 유지하고, 그 전류가 전구로 흐릅니다 — 약 0.12 A로 전구 정격 전류의 1.4배입니다. 전구의 전압은 잠깐 약 9.3 V까지 올라가 전압원의 전압보다 높아집니다. 인덕터는 그 전류가 전구 전류보다 조금만 크도록 고른 것입니다. 전류가 세 배까지 커지는 인덕터라면 스위치를 처음 열 때 전구가 단선될 것입니다.

질문

1. 번쩍임의 에너지는 어디에서 옵니까?
2. 릴레이의 코일에는 왜 다이오드를 병렬로 연결합니까?

답

1. 인덕터의 자기장에서 옵니다. 0.12 A에서 인덕터에 저장된 에너지는 \(W = L \cdot I^2 / 2\) = 20 · 0.12² / 2 ≈ 0.14 J이며, 스위치를 열면 이 에너지가 전구에 전류를 계속 흐르게 하면서 필라멘트에서 열과 빛으로, 50 Ω 권선에서 열로 바뀝니다.
2. 릴레이를 끄면 이 실험 장치의 인덕터처럼 릴레이 코일도 자신의 전류를 계속 흐르게 합니다. 그 전류가 흐를 길이 없으면 자체 유도 전압이 스위치 접점 사이에 불꽃을 일으키거나 코일을 구동하는 트랜지스터를 파괴할 만큼 높아집니다. 평상시 동작에서는 역방향 바이어스가 걸려 있는 다이오드가, 이 실험 장치에서 전구가 하는 역할처럼, 코일을 도는 닫힌 고리를 전류에 만들어 주므로 스위치에는 전원 전압보다 조금 높은 전압만 걸립니다.