■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	브레드보드-폐건전지 쥐어짜기			실험 원리	전자석과 전자기유도, 브레드보드
실험 시간	40분	실험 분야	물리	실험 방법	개별 실험
세트구성물	브레드보드, 폐건전지 쥐어짜기 도안, 브레드보드용 전선, 트랜지스터, 저항 (1kΩ), LED, 고리나사, 페라이트코어, 양면테이프, 건전지+전지끼우개
교사준비물				학생준비물	유성펜, 가위
실험 결과	학생 1인당 브레드보드-폐건전지 쥐어짜기 1개를 가지고 갑니다.
실험팁	TIP 1. 브레드보드에 부품을 꽂을 때 그 자리가 맞는지 잘 확인하고 꽂습니다. TIP 2. 토로이드를 만들 때 전선의 연결에 주의합니다. 시작선, 끝선을 잘 살피고 연결하세요. TIP 3. 전원을 연결하는 고리 나사를 브레드보드에 꽂을 때, 위치를 잘 확인하고 누르며 돌려 꽂아야 합니다.

브레드보드(breadboard),

속칭 빵판 또는 빵틀은 전자 회로의 (일반적으로 임시적인) 시제품을 만드는 데 사용하고 재사용할 수 있는 무땜납 장치이다. 이것은 스트립기판(베로보드)과 현저하게 다르며 영구적이거나 1회용 시제품을 만들때 사용하고, 쉽게 재사용할 수 없는, 초기 인쇄회로기판과 비슷하다. 일반적인 브레드보드는 버스 스트립으로 알려진, 내부연결 전기단자의 스트립이 있고, 주장치의 일부나 격리된 블록처럼 한쪽이나 양쪽은 전원선을 확장하도록 끼워져 있다.

현대의 무땜납 브레드보드는 천공아래에 많은 납이 도금된 인청동 스프핑 클립이 있는 플라스틱 천공 블록으로 구성된다. 두개의 일련 패키지(dual in-line package, 약자 DIP)인 집적회로는 블록의 중앙선을 벌려서 삽입할 수 있다. 내부 연결 전선과 (축전기, 저항기, 코일, 등과 같은) 각각 부품 핀은 회로 위상을 완성하기 위해서 여전히 남는 구멍에 삽입할 수 있다. 이렇게, 다양한 전자 시스템은 소형 회로에서 완벽한 중앙 처리 장치(CPU)까지, 시제품화 될 것이다. 그러나, (접점당 2 ~ 25 pF으로 발생되는) 큰 공전 전기 용량 때문에, 무땜납 빵판은 상대적으로 낮은 주파수로 동작이 제한된다. 일반적으로 회로의 특성에 따라서 10 MHz보다 느리게 동작한다.

토로이드 [toroid ]

전선에 전류를 흘리면 전선 주위로 자기장이 형성된다. 이 자기장의 형성을 효과적으로 만들기 위해 전선을 원형으로 감게 되는데 직선 원통 형태로 감은 것을 솔레노이드, 원형 원통으로 감은 것을 토로이드라 한다. 이상적인 경우 토로이드 내부에는 자기장이 형성되지만 외부에는 자기장이 0이다.

원형으로 전선을 N번 감은 토로이드에 전류 I를 흘리게 되면 토로이드 내부에 자기장 B는 자기장과 전류 사이의 관계식인 암페어의 법칙을 사용하여 다음과 같은 식이 된다.

B=μ0 N·I/2∏r

여기서 μ0는 자유공간 투자율이라고 불리는 상수이며 다음과 같이 정의된다.

μ0 =4∏10-7Wb/Am

여기서 Wb(Weber)는 웨버라고 하는 자기장의 단위이고, A는 전류의 단위 암페어, m은 길이 단위 미터이다.

이 식에서 보듯이 토로이드 내부의 자기장의 세기는 중심으로부터 거리 r에 반비례한다. 그러나 대부분의 경우에 토로이드 내부에서 자기장이 일정하다고 가정하며, 그 조건은 토로이드 중심에서 토로이드 내부까지 거리 r이 토로이드 반경 a보다 커야 한다. 또 r이 a보다 클수록 외부에 자기장이 없으며 토로이드 내부에도 균일한 자기장이 형성된다. 이때 자기장의 방향은 전류가 흐르는 방향으로 나사를 돌렸을 때 나사가 진행하는 방향이며 원형을 그리며 토로이드를 돌게 된다.

토로이드는 회로에서 인덕터로 사용하게 되어 유도리액턴스를 갖는다. 일반적으로 토로이드는 솔레노이드보다 높은 인덕턴스(단위 헨리H)를 갖는다. 보통 인덕턴스를 높이기 위해 높은 자기투자율을 가진 물질을 중심에 넣는다. 또한 토로이드를 변형하여 토카막을 만들며 핵융합장치로 이용한다.

[네이버 지식백과] 토로이드 [toroid] (두산백과)

자체유도 [ self induction, 自體誘導 ]

코일에 시간에 따라 크기가 변하는 전류가 흐를 때, 코일에 생성된 자기장의 변화가 전자기유도에 따라 반대방향 기전력을 유도하는 현상. 코일에 흐르는 전체 전류에 영향을 미친다.

코일이 연결된 회로에 시간에 따라 변화하는 전류가 흐르면 코일 내부에 생기는자기장도 시간에 따라 변화한다. 그리고 전자기유도에 의해 회로에 걸린 전압과 반대방향으로유도 기전력이 형성되어 회로에 흐르는 전체 전류의 크기에 영향을 준다. 따라서직류회로에 코일이 연결되어 있으면 스위치를 켜고 끌 때처럼 전류에 변화가 있을때, 코일이 없는 경우와는 다른 현상이 일어난다. 스위치를 켜면 반대방향으로 형성되는 유도기전력으로 인해 전류값이 천천히 증가하며, 끌 때 역시 마찬가지의 이유로 전류값이천천히 감소한다. 이렇게 코일에 흐르는 전류가 전자기유도로 코일 자체에 다시 영향을주는 현상을 자체유도라고 한다.

[네이버 지식백과] 자체유도 [self induction, 自體誘導] (두산백과)

유도기전력 [ induced electromotive force, 誘導起電力 ]

요약전자기유도현상에 의해 생기는 기전력을 말한다. 시간에 따라 변하는 자기장 내부의 도체 혹은 자기장 내에서 움직이는 도체에서 발생하는 기전력으로 전압의 단위를 갖는다.

1820년, 덴마크의 물리학자 외르스테드(Hans Christian Oersted, 1777-1851)는 전도전류가 자침을 움직이게 하는 현상을 발견하였다. 영국의 물리학자 패러데이(Michael Faraday, 1791-1867)는 여기서 더 나아가 자기장의 변화가 전류를 유도한다는 사실을 알아내었다. 이렇게 전류와 자기장이 서로 영향을 주고받는 것을 전자기유도현상이라고 한다. 폐회로(閉回路:예컨대 코일 등) 가까이에서 자석을 움직이거나 전류가 흐르는 다른 회로를 이용해 자기장을 변화시키면 폐회로에 전류가 통하게 되는데 이 때 전류를 생성하는 힘을 유도기전력이라고 한다. 유도기전력은 자기력선속에 대해 아래와 같은 식으로 표현된다.

이 때, 기전력은 자기력선속의 시간에 대한 변화량에 비례하는 크기를 갖고 음의 부호를 갖는다. 이것은 유도기전력에 의한 유도전류가 자기력선속의 변화를 상쇄하는 방향으로 흐르는 것을 의미하며 이를 렌츠의 법칙이라고 부른다.

유도기전력은 발전기가 역학적에너지를 전기에너지로 바꾸는 원리가 되며 자기장의 변화만으로 전력을 전달하는 비접촉식 송전기로 사용되기도 한다.

[네이버 지식백과] 유도기전력 [induced electromotive force, 誘導起電力] (두산백과)

페라이트 [ferrite]

철과 같은 강자성 금속과는 전혀 다른 구조를 가진 자성체로, 자화의 기구는 페리 자성에 따르는 것이다. 그 구조는 M을 2 가의 금속 원자로 하면 MO · Fe2O3로 나타내어지며, M이 Zn이면 아연 페라이트라는 식으로 부른다. 이들은 원료 산화물의 미 분말을 혼합 성형하여 1,000℃ 이상에서 소결한 일종의 세라믹이다. 도체가 아니므로 금속과 같이 와전류에 의한 손실을 일으키지 않으므로 고주파용 자심으로써 뛰어나며, 망간-아연계 또는 니켈-아연계의 페라이트가 널리 쓰인다. 또, 영구 자석으로서는 매우 보자력이 큰 것이 얻어지며, 바륨 또는 코발트계의 페라이트가 널리 쓰인다.

[네이버 지식백과] 페라이트 [ferrite] (전자용어사전, 1995. 3. 1., 월간전자기술 편집위원회)

트랜지스터 (transistor)

게르마늄, 규소 따위의 반도체를 이용하여 전자 신호 및 전력을 증폭하거나 스위칭하는 데 사용되는 반도체소자이다.

1947년 미국의 벨 연구소에서 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리, 존 바딘이 처음 만들었다. "변화하는 저항을 통한 신호 변환기(transfer of a signal through a varister 또는 transit resistor)"로부터 나온 조어이다.

트랜지스터는 현대 전자 기기를 구성하는 굉장히 흔한 기본 부품중 하나이다. 1947년 미국 물리학자 존 바딘, 월터 브래튼, 윌리엄 쇼클리에 의해 트랜지스터가 개발된 후 트랜지스터는 전자공학의 대변혁을 일으켰다. 트랜지스터의 출현으로 인해 더 작고 값싼 라디오, 계산기 컴퓨터 등이 개발되었다. 트랜지스터는 IEEE 마일스톤상 목록에 기재되어 있으며 트랜지스터 개발자는 1956년 노벨 물리학상을 수상했다.

트랜지스터는 크게 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistors:BJTs)와 전계효과 트랜지스터(Field Effect Transistors:FETs)로 구분된다. 트랜지스터는 보통 입력단, 공통단 그리고 출력단으로 구성되어 있다. 입력단과 공통단 사이에 전압 (FET)또는 전류(BJT)를 인가하면 공통단과 출력단 사이의 전기전도도가 증가하게 되고 이를 통해 그들 사이의 전류흐름을 제어하게 된다. 아날로그, 디지털 회로에서 트랜지스터는 증폭기, 스위치, 논리회로, RAM 등을 구성하는 데 이용된다.

규소나 저마늄(게르마늄)으로 만들어진 반도체를 세 겹으로 접합하여 만든 전자회로 구성요소이며 전류나 전압흐름을 조절하여 증폭, 스위치 역할을 한다. 가볍고 소비전력이 적어 진공관을 대체하여 대부분의 전자회로에 사용되며 이를 고밀도로 집적한 집적회로가 있다. 접합형 트랜지스터와 전기장 효과 트랜지스터로 구분한다.

트랜지스터는 1947년 미국 벨연구소의 윌리엄 쇼클리(Wiliam Shockley), 존 바딘(John Bardeen), 월터 브래튼(Walter Brattain)이 처음으로 발명하였다. 보통 트랜지스터는 접합형 트랜지스터(Bipolar Junction Transistor: BJT)를 의미하며 전기장 효과를 이용한 전기장 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor: FET)가 있다.

트랜지스터는 규소나 저마늄으로 만들어진 P형반도체와 N형반도체를 세 개의 층으로 접합하여 만들어진다. E(emitter)로 표시되는 이미터에서는 총 전류가 흐르게 되고 얇은 막으로 된 베이스(B; base)가 전류흐름을 제어하며 증폭된 신호가 컬렉터(C; collector)로 흐르게 된다. 접합의 순서에 따라 PNP형 혹은 NPN형 트랜지스터라 명명한다. NPN형인 경우 전류는 이미터 쪽으로 흐르고 PNP형인 경우 이미터에서 나가는 방향으로 전류가 흐른다. 이를 전자회로의 기호표기에서 전류방향을 화살표로 나타낸다.

트랜지스터의 전원 연결은 이미터 쪽에 그려진 화살표 방향으로 전류의 방향이 되도록 연결한다. 기본적으로 PN접합이 양쪽에 있는 형태이므로 다이오드에서와 같이 접합면에서 전자의 확산에 의해 공핍층이 생기고 결과로 공핍층 전기장이 생겨 더 이상의 전자의 확산을 막게 된다.

베이스와 이미터 간에 전원이 없이 연결된 상태에서는 베이스와 이미터가 같은 전위이므로 전류가 흐르지 않는다. 베이스 간에 전원에 의한 전기장 방향(+에서 -전압방향)이 공핍층 전기장 방향과 같은 역방향 바이어스이므로 전류가 흐르지 않는다. 그런데 베이스와 이미터 간에 공핍층 전기장에 반대방향의 순방향 전원을 연결하면 전자가 움직이게 된다.

한편, 베이스와 컬렉터 사이에는 공핍층과 같은 방향의 역방향 전기장이 형성되어 컬렉터 부분의 N형반도체의 다수 캐리어인 전자는 움직이지 않게 된다. 그런데 베이스와 이미터 간의 순방향 전원에 의해 이동된 전자에 대해서는 베이스와 컬렉터 사이의 전기장 방향이 순방향 바이어스가 되어 이미터에서 이동한 전자들이 컬렉터 쪽으로 흐르게 된다. 참고로 전자의 이동방향은 전기장방향의 역방향이며 전류방향의 역방향이다. 이때 컬렉터로 흐르는 전류는 베이스로 흐르는 전류에 비해 증폭된 형태로 나타나게 되므로 베이스에 작은 신호가 컬렉터에 증폭되어 나타나 트랜지스터는 증폭기로 사용된다.

트랜지스터 그 자체가 소형이어서 이를 사용하는 기기(機器)는 진공관을 사용할 때에 비하여 소형이 되며, 가볍고 소비전력이 적어 편리하다. 초기에는 잡음·주파수 특성이 나쁘고 증폭도도 충분하지 못하였으나, 그 후 많이 개량되어 대전력을 다룰 수 있는 등의 장점이 생겼으며, 특수한 경우를 제외하고는 진공관을 대체하였다. 증폭작용과 전자신호를 위한 스위치나 게이트로서 역할을 하여 아날로그회로, 디지털회로 등 대다수의 전자회로에 사용된다. 집적회로는 작은 전자칩에 다수의 트랜지스터와 전자회로 구성요소를 집약시켜 놓은 것이다.

[네이버 지식백과] 트랜지스터 [transistor] (두산백과)