변압기와 직류

교육과정: GCSE, Sek I/II

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목표

변압기가 직류에서 동작하는지 확인하고, 1차 권선의 전류가 변할 때만 2차 권선에 전압이 생긴다는 것을 알아봅니다.

실험 장치

6 V 직류 전압원이 스위치와 전류계를 거쳐 변압기의 1차 권선(2000회, 저항 40 Ω)에 연결되어 있습니다. 2차 권선(1400회)에는 3.5 V / 0.5 W 전구와 DC 모드 전압계가 연결되어 있습니다. 스위치는 열려 있습니다.

실험 방법

1. 스위치를 닫으세요. 전구와 전류계를 관찰하세요.
2. 몇 초 기다리세요. 전류계와 전압계의 측정값을 기록하세요.
3. 스위치를 여세요. 전구를 관찰하세요.
4. 번쩍임을 더 잘 볼 수 있도록 시뮬레이션 속도를 낮추어 실험을 반복하세요.

예상 결과

스위치를 닫으면 1차 권선의 전류는 1초가 채 안 되는 시간에 걸쳐 서서히 증가하여 약 0.15 A에서 안정됩니다. 전류를 제한하는 것은 권선의 저항입니다. 자기 선속이 천천히 변하므로 유도 전압이 작고, 전구는 거의 켜지지 않습니다 — 필라멘트가 겨우 붉어지는 정도여서 어두운 곳에서만 알아볼 수 있습니다. 전류가 일정한 동안 2차 권선의 전압계는 0을 표시하고 전구는 꺼져 있습니다. 스위치를 열면 전류가 갑자기 끊기면서 전구가 밝게 번쩍이고 — 정격일 때의 두 배로 밝습니다 — 4분의 1초 안에 꺼집니다. 유도 전류는 약 0.2 A로 전구 정격 전류의 1.4배입니다. 변하는 자기 선속만이 2차 권선에 전압을 유도하므로, 변압기는 직류에서 동작하지 않습니다.

1차 권선의 전류를 제한해 둔 것은 우연이 아닙니다. 실제 변압기의 철심은 직류에서 포화될 수 있으며, 그러면 회로를 끊을 때 강한 전류가 권선 수와 같은 비율로 2차 회로에 넘어가 전구를 단선시킬 것입니다.

질문

1. 스위치를 열 때 전구가 닫을 때보다 더 밝게 번쩍이는 이유는 무엇입니까?
2. 스위치를 닫은 직후 1차 권선의 전류가 바로 증가하지 않는 이유는 무엇입니까?
3. 변압기를 교류 회로에서만 사용하는 이유는 무엇입니까?

답

1. 스위치를 닫을 때는 전류와 자기 선속이 서서히 커지며, 자기 선속의 느린 변화는 작은 전압만 유도합니다. 스위치를 열면 0.15 A의 1차 전류가 거의 즉시 멈추고, 철심의 자기장에 저장된 에너지가 2차 회로로 넘어갑니다. 자기 선속이 전구에 약 0.15 A · 2000 / 1400 ≈ 0.2 A의 전류를 계속 흐르게 하며, 이는 전구 정격 전류의 1.4배입니다.
2. 이 권선은 강철 철심에 2000회 감겨 있어서 인덕턴스가 큽니다. 증가하는 전류는 증가하는 자기 선속을 만들고, 이 자기 선속은 권선에 전류의 증가를 방해하는 전압을 유도하므로(자체 유도), 전류는 6 V / 40 Ω ≈ 0.15 A에 서서히 다가갑니다.
3. 변압기는 변하는 자기 선속을 통해서만 에너지를 전달합니다. 직류는 일정한 자기 선속을 만들므로 2차 권선에 전압이 생기지 않습니다. 게다가 직류에서는 1차 전류를 권선의 저항만이 제한합니다. 기본값인 500회 1차 권선(2.5 Ω)이라면 6 V 전압원이 약 1.9 A의 전류를 흘려, 실제 권선은 과열될 것입니다.