고급물리:전류와 저항
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배우는 이유
| 흥미적
이유 |
출발질문(마지막까지 학습한 후에 대답해보세요~)
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| 직업적
이유 |
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| 학문적
이유 |
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| 너희들은? | 전자기학을 이해하기 위해 개념부터 알아야한다
감전될 때 적어도 지금 죽을 수 밖에 없음을 이해할 수 있고 나를 죽이는 원인은 이해하고 가야 하기에 => 과연, 죽음 앞에선 모든 것이 무의미해지기 쉬운데, 이 허무감을 극복하다니! 굉장히 건강한 학생이에요! |
| 배워야 할 것 | 전류란 무엇인가
전류와 전압 사이의 관계 전기장이 전류를 생성한다 전류가 흐르는 방식과 전류의 개념 |
도입
학습
영상
| 수업 | 영상 |
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수업요약
핵심개념
| 개념 | 설명 |
|---|---|
전개질문
- 전기장에 에너지가 저장된다는 것을 어떻게 알 수 있을까? 실험을 설계해 보자
도착질문
- [구하는 방법 대충 써 보자]10m 길이의 구리 전선(원통형)의 지름이 2mm일 때, 이 전선을 통해 5A의 전류가 흐를 때, 전선 내부의 전자의 평균 이동 속도는 얼마인가요?(전자의 전하량은 e, 전자의 평균 밀도는 n이라 표기하자.)
학생들의 질문
분류하지 않은 질문
| 분류 | 질문 | 대답 |
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| 개념 | 옴의법칙이 성립하지 않는 경우 | 여름방학 AP연수에서 교수님께 여쭤봤을 땐 그런 물질은 없다고 하시더군요;
반도체처럼 여러 물질을 접촉해놓거나 섞어놓은 경우엔 비옴물질이 됩니다. |
| 전류의 밀도라는 것이 잘 이해되지 않아요 전류는 전자의 흐름인데 그에 대한 밀도라는 것은 사실상 그 면적에 전자의 밀도 아닌가요? | 단위 면적에 대한 그 전자의 흐름을 의미하죠. | |
| 전하의 정확한 정의가 무엇인가요? 전류의 전하라고 하면 뭘 의미하는 건가요. 전하랑 전자는 어떻게 다른가요? | 무언가의 개념이 다가오지 않을 땐 다양한 관점에서 바라보면 어느정도 해소되곤 하죠.
한자를 풀자면 電(전기)荷(짊어지다) 전기의 짐? 전기의 양이라고 할 수 있을 듯해요. 영어로는 electric charge.
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| 교류와 직류에서 전류가 흐르는 원인은 같은가요? | 네, 같습니다. | |
| 비저항은 저항, 길이, 단면적 측정하고 R=(로)A/L 써서 실험적으로 구하는건가요? | 네, 보통은 그러합니다. 뭔가.. R=(로)A/L 이 아니라 R=(로)L/A 아닌감? | |
| 정육면체 모서리 같은 모양의 전선에서 시작점과 도착점에 대해 전선이 대칭이면 병렬연결처럼 다루어도 되나요?;? | 네 병렬연결처럼 다루어도 됩니다. | |
| 전기 도선 주변에 자석을 가지고 전류의 방향이나 세기를 바꿀 수 있나요? | 네, 그렇게 도선 사이에 힘이 작용하곤 합니다. | |
| 사람의 신경 전달은 전기신호로 이루어진다고 알고 있는데, 사람 몸에 어느 정도의 전류를 흘려 보내면 죽지는 않고 신경전달신호만 혼선을 놓을 수 있을까요. | 그건.... 찾아서 알려주면... 세특 써줘야 하나;;; | |
| 순수한 물에는 정말 전류가 흐르지 않나요? 정말요? 어떠한 경우에도 절대로 안흐르나요? | 갓 에넬이 레벨2에 진입했다면 고무인간인 루피를 씹어먹었을지도.
어떠한 경우에도 절대로 전류가 흐르지 않는 물질은 없습니다. 전압, 전기이 아주 크면 어떤 물질이라도;;; | |
| 고온 초전도체의 원리가 무엇이라고 생각하시나요? | 미안합니다; 나의 지식 영역을 넘어선;;;
물리과 4학년 즈음 가면 고체물리를 배우는데, 거기에 초전도 현상을 설명하는 이론이 3개 정도 있어요... | |
| 전위차는 '느낄' 수 있을까? 예를 들어 피카츄의 양 볼에서는 전기 현상이 발생하는데, 피카츄는 자신의 볼 사이의 전위차를 몸소 체험하고 사는 걸까? | 보조베터리를 들고다닌다고 해서 전기를 느끼진 않지 않나;;?
근육을 움직일 때마다 전기신호가 오가지만 우리가 느끼는 건 딱히 없고.. 전류가 흐를 때 느낄 수 있지만, 전위차 자체를 느끼진 못하죠. 그걸 느낄 수 있다면 과거의 수많은 감전사례는 발생하지 않았을듯; | |
| 기타 | ||
| 헛소리 | ||
| 건의 | ||
더 나아가기
교과 내용이 너무 쉬워서 더 공부하고 싶은 사람들은 보세요~
수업 후, 흥미로운 것
시간이 남을 때에만 보세요~
번개 맞았을 대 가장 안전한 복장은?
답
| 전류는 어떻게 흐르는 걸까?(시간 많이 줬으니까 자세하게 표현해보세요.) | |
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| 답변 | 선생님코멘트 |
| 전위차가 발생하여 전압이 걸리면 전자의 흐름이 발생하며 전류가 흐름 | 굳 |
| 전기가 저장되거나 생성되게 되면은 일정 수치의 전위를 가지게 된다. 그로 인해 전위차가 생기게 되고 고전위에서 저전위로 전류가 흐르게 된다. | 더 근본적으로 전기장에 대해 다루어주길 의도했어요~ |
| 전지에서 출발하여 움직이는 전자가 도선 표면에 전기장을 만들어내고 이 전기장에 따라 또 전자가 가속되며 전하가 생기고, 전류가 흐른다. | 말을 조금 다듬으면 좋을듯! 전자가 가속되며 전하가 생긴다는 말이 좀 이상하죠?? |
| 전류가 흐르는 원리가 전자가 다른 전자를 밀어낸다는 추측을 했는데 이번에 배우고 전류는 전기장이 가해져 전자들이 에너지를 받아 이동하는것? 이라고 알게되었습니다. | 굳. |
| 도체의 자유전자가 양성자와 부딪혀 생성되는 전기장으로 도체의 전 부분이 전하를 띄기에 | ?? 자유전자와 양성자가 부딪히면 전기장이 왜 생겨;;? |
| 전기가 저장되거나 생성되게 되면은 일정 수치의 전위를 가지게 된다. 그로 인해 전위차가 생기게 되고 고전위에서 저전위로 전류가 흐르게 된다. | 흠... 보통은 전위가 먼저 아닌가;;? |
| 전자의 흐름으로 만들어진다. 이러한 전자의 흐름은 전기장에 의하여 만들어진다. 전기장은 전하에 의하여 만들어진다. 따라서 전류는 전하에 차이에 의하여 만들어 진다. | 좋은 접근입니다! |
| 답변 | 선생님코멘트 |
| 10m 길이의 구리 전선(원통형)의 지름이 2mm일 때, 이 전선을 통해 5A의 전류가 흐를 때, 전선 내부의 전자의 평균 이동 속도는 얼마인가요?(전자의 전하량은 e, 전자의 평균 밀도는 n이라 표기하자.) | |
| 답변 | 선생님코멘트 |
| 전자의 평균 이동 속도 = 전류 / (전자의 전하 x 전자의 밀도 x 전선 면적)
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| 5 = pi*e*v*n를 이용? | 네, 좋은 접근입니당 |
| 전자의 평균 밀도란 전자의 부피 당 질량 이니 전자의 부피를 먼저 구해야 한다. 부피는 속력 v로 t초 만큼 이동하면 지름이 2mm이니까 부피가 4vt pie가 된다. 이를 n 곱하기 e를 하면 부피 분에 1이니까 이와 같다고 하고 구하면 되지 않을까요? | pie???!?
그리고 mm니까, 이를 m단위로 바꿔주는 과정도 필요할 것 같아요. |
| 1mm/s 미만
차피 전선에서 마구 부딪히면 속도가 느려지기에 1mm/s 미만이다 |
진짜 성의 없네; |
| 횡단면적을 구하고 비저항값을 공식을 이용해 알아내서 모든 값들을 I=1/p*A/L*V 공식에 대입한다. | 음, 굳. p가 뭔진 모르겠지만; 그리고 수식을 파악하기가;; |
| 전체전하량 = n x (4ㅠ(mm^2) x v x t) = I x t = 5 x t -> v = 5n/4ㅠ | 오예, 함정?에 걸렸어! |
| 전류의 세기는 도선의 단면적에 1초 동안 흐르는 전자의 수이다. 따라서 단면적인 4*pi(mm)^2에 5e만큼에 전자가 1초 동안 지나 간 것이다. 그리고 전자의 평균 밀도가 n이므로 전선 내부에는 5n에 전자가 있다. | 잉? 평균 밀도가 전류에 영향을 미치긴 하지만, 5n이라니, 관계성이 조금;; |
| 전선 내부의 전자의 평균 이동 속도를 계산하기 위해서는 몇 가지 중요한 물리적 관계를 사용할 수 있습니다. 먼저, 전류와 전자의 평균 밀도 사이에는 다음과 같은 관계가 있습니다: 전류 (I) = 전자의 평균 밀도 (n) × 전자의 전하량 (e) × 전자의 평균 이동 속도 (v) 여기서, I는 전류 (5A) n은 전자의 평균 밀도 e는 전자의 전하량 (일반적으로 1.6 x 10^-19 쿨롱) v는 전자의 평균 이동 속도 전선의 지름과 전자의 평균 이동 속도 간의 관계를 구하기 위해 전선의 단면적을 계산해야 합니다. 전선의 단면적은 다음과 같이 구할 수 있습니다: 전선의 단면적 (A) = π × (반지름)^2 여기서 반지름은 지름의 절반, 즉 1mm 또는 0.001m입니다. 전선의 길이 (L)는 10m로 주어졌습니다. 전선 내부의 전자의 평균 밀도 (n)는 전선의 천이전도율과 관련이 있으며, 전류 밀도 (J)와 전기성분 (σ)을 사용하여 다음과 같이 계산할 수 있습니다: n = J / (e × σ) 이제, 전류 밀도 J는 전류 I를 전선의 단면적 A로 나누어서 계산할 수 있습니다: J = I / A 전선의 전기성분 (σ)은 구리의 전기저항 (ρ)와 전선의 길이 (L) 및 전선의 단면적 (A)에 따라 다음과 같이 계산할 수 있습니다: σ = (1 / ρ) × (L / A) 여기서, 구리의 전기저항 (ρ)는 일반적으로 알려진 값입니다. 이제 계산을 시작하겠습니다. 먼저, 전선의 단면적을 계산합니다: A = π × (0.001m)^2 ≈ 3.1415 x 10^-6 m^2 다음으로, 전선의 전기성분 (σ)를 계산합니다. 구리의 전기저항 값은 대략 1.68 x 10^-8 옴∙m이라고 가정하겠습니다. σ = (1 / 1.68 x 10^-8 옴∙m) × (10m / 3.1415 x 10^-6 m^2) ≈ 1.899 x 10^7 S/m (시멘스/미터) 이제 전자의 평균 밀도 (n)를 계산할 수 있습니다: n = (I / A) / (e × σ) n = (5A / 3.1415 x 10^-6 m^2) / (1.6 x 10^-19 쿨롱 × 1.899 x 10^7 S/m) n ≈ 1.64 x 10^28 전자/m^3 마지막으로, 전자의 평균 이동 속도 (v)를 구하기 위해 다음의 관계식을 사용합니다: I = n × e × v v = I / (n × e) v = (5A) / (1.64 x 10^28 전자/m^3 × 1.6 x 10^-19 쿨롱) v ≈ 1.95 x 10^-4 m/s 따라서, 이 전선 내부의 전자의 평균 이동 속도는 약 1.95 x 10^-4 미터/초입니다. | ;;; 이렇게까지;;?!?
GPT냐? |
| I=nqAv이므로 v=I/nqA. 각 값을 대입하면, v=5000/ne [m/s] | 깔끔하십니다. |
생기부 기록 예시
| 선생님코멘트 | |
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각주
보기 전에 먼저 생각해보세요~