공통과학:기본량과 단위 편집하기

{{22개정 공통과학1}}

== 배우는 이유 ==
{| class="wikitable"
!흥미적
이유
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*

=== 출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~) ===

# 단위가 필요한가? 굳이?
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!직업적
이유
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* 숫자와 규격을 다루는 직업이라면 누구라도 사용할 수밖에 없는 개념.
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!학문적
이유
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* 자기장은 어떻게 만들어진 걸까?
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!너희들은?
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*
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!배워야 할 것
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* 기본단위
|}

== 도입 ==
https://www.youtube.com/watch?v=hkfxpesOrB4

== 학습 ==

=== 영상 ===
{| class="wikitable"
!수업
!영상
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|}

== 수업요약 ==

=== 핵심개념 ===
{| class="wikitable"
!개념
!설명
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|}

=== 전개질문 ===

#

=== 도착질문 ===

# 자기장에 에너지가 저장된다는 표현을 하였다. 자기장은 실존하는 것인가?

== 학생들의 질문 ==
{| class="wikitable"
!분류
!질문
!대답
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|개념
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|발전 관련
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|}

= 더 나아가기 =
교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들을 위하여.

*

#

=== 수업 후, 흥미로운 것 ===
시간이 남을 때에만 보세요~

= 답 =
{| class="wikitable"
!
! colspan="2" |많은 국가에서 60Hz의 주파수를 사용하는 이유는 뭘까?
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!
!답변
!선생님코멘트
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|많은 국가에서 60Hz의 주파수를 사용하기 때문에 (C타입 쓰는거랑 비슷한 느낌)
기전력, 전류가 초당 120번 바뀜
|그니까; 왜 그걸 쓰게 되었을까;;
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|미국에서 전기를 수입해서 영향을 받았습니다.
그 이유는 과거로 거슬러 올라가야 합니다. 50Hz는 독일의 발전기 방식이고 60Hz는 미국의 발전기 방식입니다. 전기사업을 시작할 때 어느 나라 발전기를 수입했는지에 따라 달라지는 것인데요. 그래서일까요? 과거 유럽의 영향력이 미쳤던 중동, 동남아지역 대부분은 50Hz 전기 주파수를 사용하고 있습니다. 미국의 영향력이 높았던 사우디, 필리핀, 한국, 일본의 일부 지역 정도만 60Hz 전기 주파수를 사용하고 있죠. 출처 : 전기저널(<nowiki>http://www.keaj.kr</nowiki>)
|조금만 더...!
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|교류이면서 송전 손실을 최대로 줄일 수 있는 주파수임.
|송전 손실은 주파수랑은 관련 없지 않나;;?
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|전세계 공통으로 사용하기 때문에 만약 티비와 촬영 카메라에 주파수가 다르면 눈에 불편함을 주기 때문이다.
이미 많은 국가에서 사용하고 있고 원래 보던 주파수와 다르면 보기에 불편할 수 있다.
|오오...!
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|초기 발전기가 60Hz짜리를 사용하였기 때문에, 근데 85%의 나라는 50Hz를 사용하는데요...
처음에 독일의 발전기는 50Hz, 미국의 발전기는 60Hz 였는데, 독일의 영향을 받은 나라들은 50Hz의 주파수를 사용하고 미국의 영향을 받은 우리나라와 같은 나라들은 60Hz를 사용한다고 한다.
|오!
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|60진법을 사용해서 아닐까요..?
60은 정말 아름다운 숫자입니다. 60은 1, 2, 3, 4, 5, 6을 모두 약수로 가지고 있기에 정말 아름다운 수입니다. 게다가 60분, 60초 등 60진수 또한 우리의 삶 속에서 많이 활용되고 있기에 사용하는 것 같다.
|그것도 아주 약간의 관련은 있을 것 같아요. 60은 약수가 참 많거든요.
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|너무 높은 주파수를 사용하면 전력손실이 커지고, 너무 낮은 주파수를 사용하면 조명의 깜빡임 같은 것을 인지할 수도 있게 되어 불편해지기 때문에 그 적당한 타협점이 60Hz이기도 하고, 원래 제품을 만들 때 사용하기를 기대했던 주파수가 아니라 다른 주파수를 사용하면 약간의 문제가 생길 수 있기에 한 주파수로 통일하는 것이 합리적이여서 초기에 시장을 장악한 60Hz로 통일하게 된 것이라고 생각합니다.
|높은 주파수를 사용할 때 전력 손실..이라기보단, 에너지의 전달에 문제가 생기죠.
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|가장 대중적인 시간단위인 1분=60초와 맞추기 위해 교류회로에서 60Hz를 사용하지 않을까요?
|가능성 있습니닼ㅋㅋㅋ
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|물리특) 그냥 어쩌다 보니 그걸로 굳어짐
|님특) 곧 뒤짐.
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! colspan="3" |휴대폰 충전기의 정격 입력이 60Hz, 0.2A일 때 전류의 진폭은 얼마일까?
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!답변
!선생님코멘트
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* 0.2X루트2,
* 1번째 질문: 정격입력의 값은 rms임,로 다시 루트 2를 곱해준다. ->0.2×루트 2 2번째 질문:
* 1. 0.2*sqrt(2) [A] 2. 0이다.
* 전자의 경우 0.2*2^(1/2)
*
|훌륭.
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|0.2 / sqrt(2)
죄송합니다. 교류를 공부하지 않았습니다. 빠른 시일 내에 문제를 풀 수 있는 실력을 만들겠습니다.
|전자기기에 나타나 있는 게 이미 실효값이기 때문에 진폭을 알기 위해선 root2를 곱해야 해요!
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* 교류의 정격 전류 값은 실효값이므로, 진폭은 실효값에 루트2를 곱하면 되므로 입력 전류의 진폭은 약 0.283A입니다.
* 일반적으로 정격 전류 0.2A는 rms로 표기되므로, 진폭을 구하기 위해 루트 2를 곱하면 입력 전류의 진폭은 약 0.283A이다.
* <nowiki>교류 전류의 경우, I_{\text{peak}} = I_{\text{RMS}} \times \sqrt{2}이고, 주어진 입력 전류는 0.2A이므로, 이를 이용해 진폭을 계산하면 0.283A</nowiki>
|구체적인 값까지 빠르게 잘 구했네요!
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!
! colspan="2" |정격 출력이 DC9V, 0.8A일 때 전류의 진폭은 얼마일까?
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!답변
!선생님코멘트
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* 0.2*root2, DC는 직류라 진폭이 없다.
* 0이다. 없다.
* 직류이므로 진폭이 없습니다. 직류에서는 진폭이 존재하지 않습니다.
* DC는 진동하지 않는다.->0
* 직류 전원이므로 전류의 세기 및 방향이 일정하므로 진폭이 없다.
*
|훌륭합니다!
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|출제 오류 아닌가요?
|오, 훌륭합니다.
2번은 직류니까, 진폭이 0이라고 하면 되죠 ㅎㅎㅎ
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* 진폭을 정의할 수 없습니다.
* DC(직류) 전류는 변동이 없으므로 진폭이라는 개념이 적용되지 않습니다. 즉, DC 전류의 진폭은 0.8A 그 자체입니다.
|0이라고 하면 되지 않나요?
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* 출력 전류의 진폭: DC 전류의 경우 진폭이라고 하면 정격 전류 자체가 최대값이므로, 출력 전류의 진폭은 0.8A이다.
* 출력 전류의 진폭은 주어진 값 그대로 0.8A이다
|앗;; ㅎ 낚였다.
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|전류의 진폭을 구하는 방법이 무엇인지를 정확히 이해하지 못하였습니다.. 고로 답을 구하지 못했습니다.. 정격입력, 정격출력이 주어졌을 때 전류의 진폭을 구하는 방법에 대해 다시 알려주시면 반드시 학습하도록 하겠습니다.
|좋아요, 상승하려는 마음가짐..!
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! colspan="2" |내가 몰라서 물어보는 질문. 12V, 220V, 110V 등 우리가 일상에서 사용하는, 다양하게 규격화된 전압이 있는데, 왜 이런 숫자들의 전압이 규격화 되었을까? 맘에 드는 숫자 하나 골라서 생각해 보기!
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|
!답변
!선생님코멘트
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|220V를 사용하는 이유는 송전 시의 전력손실 때문이라는 상식이 알려져 있다. 결론적으로 이는 맞는 말이나, 단순히 이러한 사실만으로는 일반 가정용 전압과 송전 및 배전용 전압이 별개임에도 왜 전력손실이 줄게 되는지에 대해서는 의문이 남게될 수도 있을 것이다. 이에 대해 알기 위해선 변전 측면에서 조금 더 살펴볼 필요가 있다. 일반 전압은 변전에 큰 영향을 끼치며, 배전시의 전압, 즉 전봇대 전압을 제한하게 된다. 110V는 220V에 비해 전압 강하에 훨씬 민감하기 때문에 전원 품질을 유지하기 위해 변전을 훨씬 많이 해야 하며, 배전에 사용되는 망의 전압도 훨씬 낮다. 결국 이는 변전소 수를 증가시키고 비용의 증가로 이어진다. 결국 이러한 이유로 가정용 전압으로 220V를 사용하는 것은 비용 측면에 있어 훨씬 효율적인 결과로 나타나게 되는 것이다. - 출처 : 나무위키
|훌륭합니다.
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|미국이 그렇게 하자고 했을 것 같음.
|그니까 왜;
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|220V, 전압을 일정하게 유지시키기 위해서입니다.
|?????
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|220V, 110V말고도 홍콩은 200V, 캐나다는 120V를 쓰는 등 국가 별로 차이가 있는 것을 보아 집에 공급되는 전압이 다를려면 변압기가 전부 달라야 할텐데 부품 호한성을 높여 정비나 수리를 더 유용하게 하기 위하여 국가에서 약속하여 정한 것이 아닐까요?(국가에서 관리하는 인프라이니 일정하지 않을까?)
|오오, 그럼 왜 하필 저런 숫자로 맞추게 되었는가에 대해...!!
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|110V를 사용하는 이유는 에디슨이 전구 실험할 때 110V로 실험했기 때문에, 220V는 단순히 효율 올린다고 2배 한거다. 12V는 현재 미국의 표준 전압인 120V의 단순한 1/10배다. 그리고 현재 우리나라는 220V부터 240V까지 전부 표준 전압이다. 대부분의 나라가 220V~250V사이에 표준 전압을 둔다. 이건 지역마다 공급하는 전압이 달라서 그렇다. 그리고 이미 전압을 바꾸거나 내리기에는 각 나라의 전자제품, 설비 등이 기존의 전압에 맞추어져 있어서 바꾸어서 드는 이득이 엄청나더라도 그 바꾸는 비용보다 클 수 없다. 5V도 그냥 가까운 범위의 전압, 4V나 6V도 아무 상관 없지만 우리가 10진수 체계를 사용하기에 범용적으로 사용된다.
에디슨이 전구를 발면하고, 상용화할때 전류를 켜기위한 안정적인 전압을 110V전압으로 채택했기 때문이라 하네요.220V는 전력손실을 줄이기위해 단순히 110V에서 두배로 높인거로 알고있습니다.

에디슨이 적당히 전구를 킬만한 전압이 필요해서 110V를 사용했었다고 합니다. 저희는 그 2배를 쓰고 있고요
|오오, 멋졍.
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|가정용 전기의 전압 표준은 대개 100~120V와 220~240V 대역으로 나뉜다. 많은 전압값 중에서 왜 이 값이 표준으로 자리잡았는지 궁금해할 수 있는데, 이것은 토머스 에디슨의 유산이다. 에디슨은 알려져 있다시피 전구 상용화에 성공했는데, 충분한 밝기를 내기 위해서는 전력이 많이 필요했으므로 적당히 높은 전압이 필요했다. 이때 그가 선택한 전압이 110V(직류)였다. 이후 에디슨은 전구 시장을 주도하면서 전구에 사용하는 전압 표준을 사실상 110V로 통합했다. 이러다 보니 1880년대 벌어진 전류전쟁에서 교류 진영의 업체들도 전압은 에디슨의 110V를 따라갈 수밖에 없었다. 당시에는 전기의 주 사용처가 백열전구였는데, 백열전구는 전압만 같으면 직류를 쓰든 교류를 쓰든 큰 상관 없이 작동하지만, 전압이 높으면 필라멘트가 끊어지고 전압이 낮으면 밝기가 떨어지기 때문이었다. 물론 당시에도 전압을 높이면 장거리 송전에 유리하다는 것을 알고 있었기에, 전압을 2배 높인 220V 교류를 지지하는 사람들도 있었다.[14] 그런데 직류를 지지하던 에디슨은 교류를 비방하며 220V는 전압이 너무 높아 감전의 위험이 크다고 언론을 동원한 악의적인 소문을 많이 유포시켰다. 결국 대중들은 220V가 110V에 비해 위험하다는 인식을 갖게 되면서, 교류가 전류전쟁에서 승리한 뒤에도 미국의 가정용 전압은 그대로 110V를 유지하였다. 하지만 전압이 낮으면 그만큼 같은 전력을 공급하기 위해 많은 전류를 흘려야 하고 전선도 두꺼워져야 하므로, 110 → 115 → 117V로 조금씩 승압되었다. 결국 1960년대에 이르러서 미국은 가전제품의 공급 전압을 120V(±5%)를 전국적인 표준으로 정해서 지금까지 이어져 오고 있다. 다만, 북미 가정에도 240V가 공급되기는 한다. 에디슨은 3선을 이용해 직류 110V와 220V를 동시에 공급하는 방식[15]을 고안했는데, 이에 영향을 받아 교류도 단상 3선식(split-phase) 송전 방식으로 240V와 120V를 모두 쓰는 표준이 정착되었다.[16] 다만 큰 전력이 필요한 보일러나 펌프 같은 일부 전기제품만 240V를 쓰고 나머지 일반 가전제품들은 120V를 쓰는 것이다. 유럽에서도 처음에는 미국을 따라 110V 교류가 정착되는 듯 했으나, 독일 베를린의 전력공급회사였던 BEW가 19세기 말에 승압에 나선다. 초기 전구에는 탄소 필라멘트를 썼기 때문에 전압을 높이기가 어려웠으나, 19세기 말에 금속(텅스텐) 필라멘트가 발명되면서 220V도 버틸 수 있는 전구를 만들 수 있게 되었다. 무엇보다 전력회사 입장에서는 공급전압을 높이면 그만큼 전류를 낮출 수 있어 같은 굵기의 전선으로도 더 많은 전력 공급이 가능해져 비용을 절감할 수 있다. BEW는 아직까지는 전기제품 보급이 많이 진행되지 않았기 때문에 전압을 높이더라도 소비자들에게 적절한 보상만 해주면 반발을 무마할 수 있다고 판단했다. BEW는 이에 따라 당시 보급되어 있던 110V용 전구를 교체하는 비용을 지원해주면서 220V로의 승압을 추진했다. 이 흐름에 다른 유럽 전력회사들도 동참하면서, 유럽에서는 20세기 들어 (영국을 제외하고는) 220V가 전압 표준으로 정착된다. 영국은 독특하게 240V를 표준으로 선택한다. 이후 다른 국가에서는 전기 보급의 영향을 미국/영국/독일(또는 프랑스)에서 받았는지에 따라 채택하는 표준이 달라졌다. 그러다가 유럽은 유럽 통합을 추진하면서 대륙 국가들과 영국의 전압 표준을 통일시키고자 했다. 그래서 1987년에는 대륙의 220V와 영국의 240V(일부 지역은 250V) 사이인 230V를 표준으로 채택한다. 물론 전기 시스템을 한꺼번에 바꿀 수는 없어서 230V를 기준으로 ±10%의 허용 범위를 뒀다. 이렇게 되면 220~250V 범위가 모두 표준 안에 들어온다. 이에 따라 유럽 국가들은 점차 230V로 전압이 수렴해가고 있다........ 이 뒤에도 많은 내용이 있습니다. (참고 : <nowiki>https://namu.wiki/w/%EC%A0%84%EC%95%95#toc</nowiki>)
|와; 미침ㅋㅋㅋ
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|220v, 볼타전지의 1.1v와 이 숫자가 기원에 관련이 있다고 하는데..... 1.1v에 배수꼴의 형태로 v의 값을 가진다.
|오; 이건 처음 들었어;;
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|110v는 숫자 깔끔하게 100v를 공급하려고 했는데 도선에서 전압이 줄어드는 효과가 생겨서 일부러 110v를 줘서 실제로 전자제품에 공급되는 전압이 100v에 가깝게 한 것 아닐까
|110V 자체가 실효값이잖아 이자식앜ㅋㅋ
|}
{| class="wikitable"
! colspan="3" |교류의 진동수가 클수록 축전기의 리액턴스가 낮아지는 이유를 설명할 수 있을까?
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!답변
!선생님코멘트
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* 축전기는 교류 신호에서 전하가 주기적으로 이동하는 것을 허용하는 역할을 합니다. 주파수가 높아질수록 전하의 이동이 더 빈번해지며, 그에 따라 축전기가 교류 신호를 방해하는 정도(리액턴스)가 줄어듭니다.
* 주파수가 낮을 때는 축전기가 전류 흐름을 제한하지만, 주파수가 높아질수록 축전기 양단의 전압 변화가 빨라지며 이에 따른 전류 흐름이 원활해진다. 따라서 높은 주파수에서는 축전기가 전류 흐름에 대해 저항하는 정도가 낮아져 리액턴스가 줄어든다. 축전기 리액턴스 식만 봐도 알 수 있다.
* 진동수가 클수록 회로가 빨리 진동한다는 뜻이기 때문에 축전기에 완충되어 있는 시간 또한 줄어들 것이다. 따라서 용량형 리액턴스 또한 줄어들 것이다.
* 축전기는 교류 전류가 주기적으로 전압의 극성을 바꾸는 과정에서 전하를 축적했다가 방출하는 과정을 반복하는데, 진동수가 높아지면 전압의 극성이 바뀌는 속도도 빨라져 축전기가 전하를 축적하고 방출하는 과정이 더 많아지게 된다. 이로 인해 축전기는 더 많이 반응하게되어 리액턴스가 낮아지게 되는 것 같다.
|음, 좋은 해석이에요오~
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* Xc = 1/2파이fc이기 때문이다. 즉, 높은 주파수에서는 축전기가 충분히 충전되기 전에 전류의 방향이 계속 바뀌므로 평균적으로 낮은 저항을 보인다.
* 교류의 진동수가 클수록 축전기의 리액턴스가 낮아지는 이유는 리액턴스가 진동수에 반비례하기 때문이라고 알고 있습니다.
* X_c = 1/(w*C)형태이므로 역수관계이기 때문
* Xc=1/2파이fC에서 f가 커지면 리액턴스가 낮아짐
|음, 내가 말하고자 했던 건 왜 저런 식이 되었는지 정성적으로 설명할 수 있느냐..!
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* 축전기의 리액턴스는 진동수와 반비례하기 때문이다.
* 교류 회로에서 리액턴스는 진동수의 역수와 비례하므로 진동수가 클수록 리액턴스가 낮아진다.
|최악이닼ㅋㅋㅋ 진짜 싫닼ㅋㅋㅋㅋ
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* 전하가 덜 쌓여서 저항으로서의 효과를 덜 한다던가 ?????.????.?????
* 뭐 방정식을 풀면은 나오기는 하는데... 정성적으로 그 이유를 간략하게만 생각해 보자면 진동수 크면 클 수록 전하가 깔짝깔짝 들어가니까 나올때 드는 힘이 더 잘들어 가지 않을까?
* 진동수가 커지면 축전기가 충전이 안 된 상태가 빈빈하게 일어나기 때문에 저항이 작아지는 듯한 효과를 가지게 되기 때문이다.
|오, 괜찮은 해석인데? 저항으로서의 효과가 커야 최대 쌓인 전하량이 많아지니까.
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! colspan="3" |교류의 진동수가 클수록 유도기의 리액턴스가 커지는 이유를 설명할 수 있을까?
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! colspan="2" |답변
!선생님코멘트
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* 유도기는 교류가 흐를 때 자기장을 형성하며, 전류의 변화를 방해하려는 성질을 가지고 있습니다. 주파수가 높아지면 전류가 더 빠르게 변하게 되므로, 유도기가 이러한 빠른 변화를 더 강하게 저항하게 됩니다. 따라서 주파수가 높아질수록 유도기의 리액턴스가 증가하여 전류 흐름에 대한 저항이 더 커지게 됩니다.
* dI/dt가 커지니까 저항으로서의 교란 효과가 커져서??????. ??.??
* 뭐 방정식을 풀면은 나오기는 하는데... 정성적으로 그 이유를 간략하게만 생각해 보자면 유도기는 전류가 바뀔때마다 반대 방향으로 자기장을 깔짝깔짝하는데 진동수가 커지면 더 자주 깔짝깔짝하니까 리액턴스가ㅜ커질것이다.
* 코일은 전류가 흐를 때 전류의 흐름을 방해하는 방향으로 역기전력을 발생시켜 전기 관성이라고도 불리는데 이때 전류의 흐름이 변한다면 처음에 발생한 역기전력과 보강되어 더 강한 자기장이 만들어질거고 그럼 그에 따라 더 강하게 역기전력을 발생시킬 것이다. 따라서 진동수가 커지면 그 과정이 빠르게 반복되는거니까 더 커질 것이다..!
|훌륭.
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* XL = 2pifL인데,주파수가 높아지면 전류가 더욱 빠르게 변화하고 이에 따라 유도기가 전류의 변화를 더욱 저지하므로 교류의 진동수가 클수록 유도기의 리액턴스는 커진다.
* 교류의 진동수가 클수록 유도기의 리액턴스가 커지는 이유는 유도 리액턴스가 주파수에 정비례하기 때문이라고 알고 있습니다.
* 유도기의 리액턴스가 교류 신호의 진동수에 비례하기 때문 X_L=2(pi)fL
|내가 생각한 의도와는 다르긴 한데...
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* LC회로와 같이 진동하는 회로에서는 진동수의 제곱은 축전기 리액턴스와 유도기 리액턴스의 곱의 역수와 반비례하므로 알 수 없다?
|뭔말이야;;?
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{| class="wikitable"
! colspan="3" |후배들에게 제시해볼 만한 질문
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! colspan="2" |답변
!선생님코멘트
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* 임피던스와 레지스턴스와 같은 말들의 유래? 기원?
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* 회로를 분석할 때 기하학적으로 위상자를 이용하여 설명하기도 하는데, 더욱 쉬운 방법은 없을까?
|오, 생각한 무언가가 있나보네?
본인이 어느 정도 답을 낼 수 있는 걸 물어봐야 하지 않을까;
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* 시간이 0일때와 무한대일때 회로 내에서의 축전기와 유도기의 작용
* 리액턴스가 실생활에서 어떻게 활용될 수 있을까?
* 요즘 좋은 컴퓨터들은 컴퓨터 본체에 있는 전원버튼을 눌렀을 때 바로 꺼지지 않도록 설계되어있다. 어떤 문제를 방지하기 위함이며 그 문제는 왜 발생할까? RL회로와 연관지어 설명하시오.
* 만약 다양한 사인파가 합성된 형태의 교류 신호에서 베타파 대역(13~30Hz)에 해당하는 대역 신호만 거르도록 하는 필터를 만드려면 어떻게 해야할까?
|오, 좋은 질문들..!
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* 유도 기전력의 생성 과정에서 에너지 손실은 어떻게 발생하고, 에너지 전환의 효율성을 높이기 위해 고려할 수 있는 설계 요소에는 무엇이 있을까? 자기장 변화와 기전력 발생 사이의 관계, 에너지 손실의 원인이 되는 저항, Q-factor 등을 고려한 다양한 답변이 나올 것 같다. 코일의 재료, 저항값, 유도계수 등 설계 요소가 있을 것이다.
* Rms값을 사용하는 이유
|괜찮은듯!
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|진동수 30 kHz의 신호를 통해 기계가 작동하고, 0.1 µF 커패시터가 연결되어 있을 때, 기계의 효율을 최대로 하기 위한 C의 변화를 설명하시오.
|어떻게 해야 하지..? 축전기만 달려선 안되고, 유도기를 달아야 할 것 같은데, C의 변화에 대해 설명하라고..?
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|왜 전기 에너지는 교류로 전달? 전선등에서 있는 자가유도등으로 인해 손해도 생길텐데?(직류에서는 없는)
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= 생기부 기록 예시 =
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!선생님코멘트
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= 각주 =
{{접기|제목=보기 전에 먼저 생각해보세요~|내용=|형태=mw-collapsed toccolours}}
<references />