강의 교재
; 쉽게 배우는 전자기학
저자
; 박건작(북스힐 출판사)
과목명 ; 전기자기 및 연습
부교재
1. : 소방설비기사 전기분야(필기) 동일출판사
부교재
2. : 전기기사 시리즈 1 전기자기 동일출판사
부교재
3. : 전기기사 시리즈 2 회로이론 동일출판사
부교재
4. : 대학물리학
Electromagnetic Theory & Excercise
강의 평가 개요
수시
중간고사 기말고사
출석
비고
30%
25%
25%
20%
100%
강의 개요
;
1. 전계와 자계 전반에 대해 기초 개념을 익히고
다 양 한 물 질 들 과 의 상 호 작 용 에 서 나 타 나 는
특성에 관해 학습한다
.
2. 전기회로의 구성을 이해하고 전기회로를 설계할
수 있는 능력을 배양한다
.
3. 전 기 ・ 자 기 를 응 용 하 는 소 방 장 비 들 의 작 동
원리를 습득한다
.
4. 각 종 전 기 관 련 기 사 시 험 에 출 제 한 문 제 와
연습문제 풀이를 통하여 학습 내용의 이해와 실무
능력을 증진한다
.
주별 강의 개요
1
주
강의 계획 설명
1
장; 전기란 무엇인가
도체, 절연체, 전류, 저항 및 연습문제 풀이
2
주
2
장; 정전계
전계, 전류와 전류밀도, 전압, 저항, 키르히호프의
법칙, 줄열과전력, 열전현상 및 연습문제
3
주
3
장: 콘덴서
정전유도, 콘덴서의 정전용량, 연결, 정전에너지,
충전과 방전 및 연습문제
4
주
4
장: 유전체
분극현상, 유전율, 복합유전체, 정전에너지,
특수현상 및 연습문제
주별 강의 개요
5
주
[
특강] 교류회로 1
교류회로에서의 저항과 축전기와 인덕터, RLC
회로와 공명, 멕스웰 방정식 등
6
주
[
특강] 교류회로 2
복소면에서의 회로 이론
7
주
[
특강] 회로망이론
키르히호프의 법칙, 중첩의원리, 테브낭정리,
밀만의 정리 등
8
주
중간고사
주별 강의 개요
9
주
5
장; 자계
자석,자기유도,자기모멘트, 자계 및 연습문제
10
주
6
장; 전류의 자기작용
전류와자계, 암페어의 주회적분법칙,비오-
사발의법칙 및 연습문제
11
주
7
장; 전자력과 전자유도
전자력,평행 도선에 작용하는 힘, 전자유도,
핀치효과, 홀효과, 직류발전기의 원리, 와전륭와
아로고의 원판 및 연습문제
12
주
7
장; 전자력과 전자유도
표피효과,자기유도, 상호유도, 변압기의 원리,
인덕턴스, 자계에너지 및 연습문제
주별 강의 개요
13
주
8
장; 자성체와 자기 회로
자성체, 자화율과 비투자율, 감자율, 자기차폐,
자화곡선 및 연습문제
14
주
8
장; 자성체와 자기 회로
자기히스테리시스 현상, 자기회로,직렬 및 병렬
자기회로 및 연습문제
15
주
[
특강] 전자회로
다이오드,트랜지스터,특수소자,직접회로,
정류회로, 증폭회로 등
16
주 기말고사
시대별 전기자기의 발전사 요약
10 C
자침의 개발
줓국서 자기나침반의 자침을 최초로 제작
11 C
지남철의 성질
중국 송나라 심괄의 “몽계필담”에
특성이 대략적으로 기록되어 있음
14 C
실용나침반 개발
1302년 이태리 조야가 개발
16 C
전기
, 자기에 관한
체계적 저서 발간
영국의 길버트가 정전기적 성질과
지구자화에 관한 실험적 규명
1729
년 전기도체 발견
영국의 그레이가 실험에 의해 도체,
절연체 구분
1733
년 전기의 인력
, 척력
프랑스의 듀파이가 전기의 인력과
척력 발견
1745
년 라이덴 병 발명
독일의 뮈센부레크와 클라이스트가
전기축전 기능의 라이덴 병 발견
1752
년 피뢰침 발명
미국의 프랭클린
1785
년 쿨롱의 법칙
프랑스 쿨롱이 두 전하사이에 작용하는
힘에 관한 쿨롱의 법칙 수립
1799
년 볼타전지 발명
이태리 볼타는 식염수,아연 구리를
사용하는 1차 전지 발명
1820
년 전류의 자기 작용
덴마크의 에르스테르는 전류가 흐르는
도선 주위에 자계 발생 발견
1820
년 자화 현상 발견
프랑스와 아르고와 게이루삳은 철이
자석화되는 현상 발견
1820
년 비오
, 사바르 법칙
프랑스의 비오와 사바르는 자계의
세기에 관한 비오-사바르 법칙 수립
1822
년 오른 나사의 법칙
프랑스의 앙페르가 전류와 자기력의
방향에 관한 법칙
1827
년 옴의 법칙
독일의 옴이 저항에 관한 법칙 발견
1833
년 렌츠의 법칙
독일의 렌츠
, 유도 전류의 방향에 관한
법칙
1838
년 모스부호
미국의 페이지가 원리발견
, 모오스가
전신부호 발명
1841
년 줄 열
영국의 줄이 전기의 발열 작용 법칙
1864
년 맥스웰 방정식
영국의 맥스웰이 전자기장의 기초
방정식인 멕스웰 방정식 완성
1867
년 발전기 발명
독일의 지멘스가 발명
1876
년 전화기 발명
1837
년 미국의 페이지가 원리를, 벨이
최초의 실용 전화기 발명
1879
년 전구 발명
미국의 에디슨이 백열 전구 발명
1884
년 에디슨 효과
미국의 에디슨이 고온의 금속에서
전자가 방출되는 효과 발견
1895
년 X-선 발견
독일의 뢴트겐이 고속 전자를 물질에
충돌시켜 방출하는 짧은 파장의
전자기파 발견
Modern X-ray picture obtained by
means of digitized data and image
processing
진할수록 조직에 많이 흡수된 부분
Röntgen
이 1895년도 부인의 손을
찍은 첫번째 X-ray 영상사진. 둘째
손가락의 진한 부분은 반지를 나타냄.
1896
년 무선전신회사 설립
이태리 마르티니는 무선전신 실험에
성공한 뒤 무선전신회사 설립
1897
년 음극선관 발명
독일의 브라운이 유리진공 용기 속의
전자총에 의해 전기신호를 영상 변환
1904
년 진공관 발명
영국의 플레밍은 진공 유리공 속에 2
개의 전극을 넣어 2극 진공관 발명
1948
년 트랜지스터의 발명
미국 벨 연구소의 브래튼
, 바든,
쇼클리가 반도체 조각에 가는 도체선을
접촉시켜 주면 전기신호의 증폭작용이
있음을 발견
표 2. 전자기의 응용 사례
산업용 발전기, 전동기, 릴레이, 솔레노이드,회로차단기,
지시계기, 자동화기기, 운반기기, 콤퓨터 제어 시스템
통신용 유무선 전화기, 펙시밀리, 지상파방송, 통신위성,
안테나, GPS,광통신, 인터넷, 원격화상회의
의료용 X
선, CT, 초음파진단기, MRI, 원격진료
가정용 리모콘, 홈오토메이션, 홈시어터,보안시스템,
전자레인지,전기밥솥,TV, 냉장고, 식기세척기
기타
마이크,스피커,녹음기,확성기,복사기,컴퓨터,
캠코더,초음파세척기,자외선살균기 등
1
장 전기란 무엇인가
1.1
전기의 실체
전류, 전압, 저항, 전력
1.2
마찰전기
►
종류가 다른 두 물체를 비벼대면 마찰열이 발생한다.
►
마찰열이 커지면 양쪽 물질의 원자에서 전자가 이탈한다.
►
한쪽의 분리된 전자는 다른 쪽 물질로 이동하게 된다.
►
결과적으로 한쪽에선 전자를 받아들이고 다른 쪽에선 전자를 준다.
전자를 주는 쪽은 “+”
로, 받는 쪽은 “-” 가 되며, 이 상태를 “대전”
되었다고 함.
►
“
”
전하가 이동하지 않고 한곳에 모여있는 것을 정전기 라고 함.
1.2
마찰전기
예)
모피와 책받침을 문지르면 모피를 구성하는 원자에서 전자들이 이탈
하여 전자들이 책받침으로 이동한다.
“
따라서 모피는 +”,
“
책받침은 -”
로
대전된다.
도체는 금방 대전되고 또 금방 원래 상태로 돌아오기 때문에 정전기를
기대할 수 없지만,
절연체의 경우는 대전되기가 어렵지먄,
일단 대전되면
오랫동안 지속된다.
즉 전하를 보존하고 있는 정전기 상태가 지속된다. (
기타 교재 참조)
1.3
도체, 절연체
도체란 전자의 이동이 수월한 물질을 말한다. 따라서 전류가 잘 흐른다. 즉
저항이 작다.
절연체란 물질 내부에서 전자의 이동이 어려운 물질을 말한다.
전류는 잘 흐르지 않으며 저항이 크다고 말한다.
도체와 절연체는 어떻게 구분할까 ?
물질을 구성하는 원자의 구조로부터 전기적 특성이 결정된다.
원자모형
원자핵
; 양자와 중성자로
구성되고 원자 질량의
99.99 % 차지
K
L
N
M
각(shell ) 이라
하며 전자가
규칙적으로 채워지는
장소
K
각 ; L 각 ;
M
각 ; N 각 ;
원자의 기본 구조
·
원자핵은 양자와 중성자로 구성되며,
양자의 수가 원자번호가 된다.
·
원자란 중심에 있는 원자핵과 주변의
전자로 구성된다.
·
전자들은 원자핵에 전기적인 힘에 의해
구속되어 있다. 따라서 원자핵을
중심으로 회전 운동을 할뿐 원자 밖으로
탈출할 수 없다.
·
원자핵에 가까이 있는 전자일수록
더욱 강하게 구속된다
. 원자핵에서 멀리
있는 전자일수록 구속력이 약하다
.
·
양자의 수와 전자의 수는 같다.
“
양자는 전기적으로 +”,
“
전자는 -”
이므로 원자는 전기적으론 중성이다.
·
전자들은 핵을 중심으로 규칙적으로
배열해야만 한다. ( K
각, L각,M각,N각
등에 배열 된다).
K
L
N
M
원자 구조의 예
3Li, 8O, 10Ne, 14Si, 29Cu
K
L
N
M
3Li
K
L
N
M
K
L
N
M
10Ne
8O
원자 구조의 예
3Li, 8O, 10Ne, 14Si, 29Cu
K
L
N
M
14Si
K
L
N
M
29Cu
이온화
8O
전기적으로 중성인 원자에서 전자가 이탈하면 상대적으로
“+” 전하가 많아지게 된다. 이를 “이온화” 라고 한다.
예)
8O
+
8O
+2
전기적으로 중성인 산소 원자
8O 에서 전자 한 개가 이탈하면 상대적으로
“+” 전하가 1개 많게 되므로
8O
+
로 표시함. 2개 이탈하면 “+” 전하가 2개
많게 되므로
8O
+2
로 표시하고 이온화 되었다고 함.
이온화
정공 ; 정공이란 용어는, 전자가 이탈한자리에 “+” 구멍이
생겼다는 의미로, “+” 전하가 많아진 것을 표시한다. 즉 전자
자리에 빈 구멍을 그린 다음 안에 “+”로 표시한다.
예)
8O
+
8O
+2
원자 구조로 보는 도체, 반도체, 절연체
물질에서 전자의 수송은 원자와 연속적으로 충돌하면서 이루어진다.
즉, 충돌한 원자들의 최외각 전자들이 원자를 이탈해서 앞으로 진행하다
다시 주변의 원자와 충돌하여 최외각 전자를 이탈시키는 과정을 통해서
전류는 흐른다.
결론적으로, 전류가 잘 흐르기 위해서는 물질을 구성하는 원자의
최외각 전자가 쉽게 원자를 이탈할 수 있어야 한다. 이런 원자구조를
가진 물질들이 도체가 된다. 다른 경우는 반도체나 절연체라고 한다.
*
절연체라고 해서 전류가 전혀 흐르지 않는 것은 아니다.
원자 구조로 보는 도체, 반도체, 절연체
원자의 구조를 통해서 물질의 전기전도성에 관해 알아보자.
전도성에 알려면 전자가 물질 내에서 어떻게 이동하는 가를 관측해야 한
다. 전자가 앞으로 이동하는 것이 전류이기 때문임.
주의; 전자의 속도는 초당 100 km 이상이다. 그러나 물질 내에서는
원자와의 충돌로 인해 앞으로 진행하는 거리는 초당 수 mm 이하다.
원자 구조로 보는 도체, 반도체, 절연체
1. 물질에 들어온 전자는 주변의 원자와 충돌한다. 이때 충돌한 원자의
최외각 전자를 빼낸다.
2. 이탈한 전자는 다시 옆에 있는 다른 원자와 충돌하며, 원자의 최외각
전자를 빼낸다.
3. 이탈한 전자는 또 다시 옆의 다른 원자와 충돌하여 최외각 전자를
빼낸디.
4. 이러한 과정을 통해서 전자는 앞으로 진행해 나간다.
5. 이온화된 원자들은 주변의 자유전자들과 결합하여 다시 원래의 상태로
되돌아 오게 된다.
KL
K
L
N
M
K
L
N
M
원자 구조로 보는 도체, 반도체, 절연체
도체, 반도체, 절연체를 분류해 보십시요.
원자 구조로 보는 도체, 반도체, 절연체
도체 ; 원자핵으로 부터 멀리 떨어져 있는 있는 M
각,N각 등에 최외각
전자가 1개 혹은 2개 있는 원자로 구성된 물질. 이들 최외각 전자들은 거의
구속되지 않은 상태여서 “자유전자”라고 한다.
예) 은, 구리, 금, 백금, 알루미늄, 텅스텐, 철, 니크롬
절연체 ;
1.
각(shell) 에 전자가 꽉채워져 있던가 거의 채워져 있거나
2. 2.
최외각 전자들이 원자핵에 가까이 있어서 세게 구속되어 있는
원자들로 구성된 물질
예) 유리, 테플론, 종이, 고무, 플라스틱, 공기 등
반도체 ;
도체와 절연체 사이의 특성을 가지는 것으로 대개 M 각에 4개의 전자로
구성된 경우를 말한다.
예) 실리콘, 게르마륨 등
참고 ; 구리에서 전자의 이동; 20oC 상온에서 구리 내에서 전자가 앞으로
진행하는 유동 속도는 2.5 mm / s 정도에 불과하다. 그런데 스위치를 켜면
전기가 금방 들어온다. 어떻게 이럴 수 있을까 ?
물이 꽉 찬 관을 생각해보자 !
물이 꽉 찬 관에 물을 넣으면 반대쪽 출구에서 금방 물이 나온다. 이는 물
분자들이 밀려서 나가는 것이다. 이와 같이 회로에도 전위차이가 걸리면
도선내의 모든 전자들이 전기적 힘을 받아 운동을 하게 된다. 이때 힘이
전달되는 속도는 약 108 m/s가 된다.
1.4
전자의 이동이 전류이다.
1. 도체에는 자유전자들이 있어서 전자의 이동이 수월하다.
2. 양자는 전자에 비해 무게가 1860배나 된다. 따라서 이동 속도는 전자가
양자보다 대단히 빠르다.
전류는 전자의 이동이다.
때론 전류는 전자와 정공의 이동으로도 말한다. 정공은 “+” 에서 “-”
방향으로 흐르고 전자는 “-” 에서 “+”로 흐른다.
1
장 전기란 무엇인가
1.
저항은 전자가 이동하는 과정에서 원자들과 다른 전자 들과의 충돌로
인해 이동하는데 지장을 받게 된다.
이를 저항이라고 함.
2.
연속적인 충돌로 인해서 전자는 전기적 에너지를 열에너지로 소모한다.
3.
저항은 물질을 구성하는
원자들의 구조
와
물질의 기하학적 형태
에
의해 결정된다.
1.5
전기적 저항
►
기하학적 형태와 저항의 관계
주말에 백화점 할인 코너에 갈려고 한다.
통로에 사람들이 몰려 있다.
앞으로 나갈려면 사람들과 충돌이 불가피하다.
저항을 받는다.
어떤
경우라야 저항을 덜 받고 목적지까지 수월하게 갈 수 있을까?
1.
통로의 단면적이 넓어야 한다.
단면적에 반비례
2.
목적지가 가까워야 한다. 길이에 비례
1
장 전기란 무엇인가
►
기하학적 형태와 저항의 관계
1.5
전기적 저항
저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다.
저항 R
~ , S; 단면적, l ; 길이
S
l
비례상수를 라고 하면,
비례상수 로우단단·m]
1. 단단단단단단단단단단단단
2. 단단단단단단단단단단단단1.1
1.5
전기적 저항
표
1.1 저항율·m2oC
도체명
절연체명
은(Ag)
1.62×10-8
게르마늄(Ge)
0.46
동(Cu)
1.69×10-8
실리콘(Si)
640
알루미늄(Al)
2.62×10-8
탄소
(C)
3.5×105
몰리브텐(Mo)
4.77×10-8
유리
1010 - 1014
아연(Zn)
6.1×10-8
단단한 고무
1×1013
니켈(Ni)
6.9×10-8
유황
1×1015
철(Fe)
10×10-8
석영
75×1016
백금(Pt)
10.5×10-8
납(Pb)
22×10-8
니크롬
(Ni+Cr)
150×10-8
니크롬; 열선으로 사용하는 니켈과 크롬의 합금.
문제1) 같은 재질의 전선으로 길이를 변화시키지 않고 지름을 2배로 하고
전선에 흐르는 전류를 2배로 하면 전력 손실은 어떻게 되는가 ? (’98,’01)
문제2) 기전력 1.2 [V] 내부저항 0.4 []의 전지가 길이 20 m, 단면적 1 [mm2]의
동선에 접속되었을 때 1분 동안에 발생하는 열량은 몇 [cal] 인가 ? ( 단
동의 고유저항
= 1.6 × 10-8 ·m
임) ?(’97)
문제3) 길이가 l 인 도선이 있다. 이것을 늘려서 길이가 nl 인 도선으로
만들었다면 이때의 전기저항은 처음 저항의 몇 배가 되는가 ? (’96) n2 배
A
B
단면적 S
A
길이 l
길이 nl
단면적 S
B
저항 R =
S
l
= 1.6 × 10-8 ·m
20 m
10-6 m2
= 0.32
내부 저항이 0.4 [] 이므로 전체 저항은 0.72
∴ 전류 I = 1.2 [V] / 0.72 = 1.67 [A]
동선에 가한 열량 H 는 ;
H = 0.24 I2 × R × t
= 0.24 × [1.67 A]2 ×
0.32 × 60 sec = 12.85 cal
문제3) 기전력 1.2 [V] 내부저항 0.4 []의 전지가 길이 20 m, 단면적 1 [mm2]의
동선에 접속되었을 때 1분 동안에 발생하는 열량은 몇 [cal] 인가 ? ( 단
동의 고유저항
= 1.6 × 10-8 ·m
임) ?(’97)
mm2 = (10 -3 m) 2 = 10-6 m 2
