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더 뜨거운 난로를 만들려면 어떻게 해야 할까?
조회 4,206 2014.12.10 신고

탐구 목표 
전기저항의 크기를 바꾸는 방법을 말할 수 있다. 
전류의 세기에 영향을 주는 요소를 열거하고, 수식으로 말할 수 있다. 
적절한 성능의 난로를 만들 수 있다.

 

탐구 레벨 
중 2.  전기

 

탐구 요약 
전류의 작용은 전압과 전류의 세기에 의해 결정되며, 전압과 전류의 값은 전기저항의 크기와 관계가 있다. 전류의 작용을 효과적으로 조절하기위해서는 전압, 전류, 전기저항- 이 세 가지 요인의 관계를 정확히 알 필요가 있다.


준비물

- 샤프심(0.5mm), 직류안정화장치, 악어클립전선 몇 개, 니크롬선(1m정도), 에나멜선(20cm 두 가닥), 악어클립전선 두 개, 쥬스병, 직류안정화장치, 두꺼운 종이(6×6cm), 송곳, 사포, 볼펜 등 전구 두 종류(220V-60W, 220V-200W) 



전기 저항이란

백열전구에 씌여있는 220V 100W, 220V, 60W 이런 숫자는 뭘 의미하는 걸까? 가만, 속을 들여다 보니 필라멘트의 글귀가 다른 것이 눈에 띄지요.
가정마다 사용하는 가전제품이 늘어나면서 110볼트에서 220볼트로 승압하였다는데 왜 승압한것일까요?
옛날 영화 타워링에는 대형건물에 사용할 전선을 가는 것으로 써서 불이 났다는데, 전선을 가는것으로 사용하면 왜 위험한 것일까요?
우리는 전기를 만질 때 장갑을 끼고 작업합니다. 이 모두가 전기저항과 관계가 있다는데, 전기저항은 무엇이며 저항의 크기를 바꾸는 방법에는 어떤 것들이 있을까요? 




도체와 부도체 알아보기 1

샤프심, 고무줄, 실, 알루미늄 호일이 있습니다. 각 재료를 전구와 건전지 사이에 넣어 연결해 봅시다.
어떤 결과가 나올지 예상하면서 실험해 보세요. 건전지를 하나 더 사용해서 다시 해 보세요. 




도체와 부도체 알아보기 2

어떤 차이가 있나요? 전기의 관점에서 네 물질을 분리해 보세요. 



도체와 부도체 알아보기 3

실, 고무줄의 경우 전구에 불이 들어오지 않습니다.
실, 고무줄처럼 전기가 통하지 않는 물체를 부도체라 하고, 전기가 통하는 물체를 도체라 합니다.
알루미늄이 샤프심보다 밝은 것은 도체라 해도 물질마다 전기 통하는 정도가 다르기 때문입니다.
전기의 흐름을 방해하는 정도를 전기저항이라고 하는데, 부도체는 전기저항이 매우 큰 물질이고 샤프심은 알루미늄 호일보다 저항이 큽니다 



전기저항의 크기를 바꾸는 방법 1

실험을 통해 물질마다 전기저항이 다르며 샤프심은 금속만큼은 아니지만 전기가 잘 통한다는 것을 확인해 보았습니다.
이제 샤프심을 이용하여 전기저항을 어떻게 변화시킬 수 있는지 탐구해 봅시다. 




전기저항의 크기를 바꾸는 방법 2

준비물은 굵기가 다른 두 종류의 샤프심, 꼬마전구, 건전지 2개, 전선입니다.
그림처럼 회로를 꾸미고, 전선실을 0.5mm샤프심의 A점과 접촉해 보세요.
다시 B점과 접촉해보세요. 어떤 차이가 있나요? 0.3mm 샤프심으로도 똑같은 실험을 해보세요.
샤프심의 길이와 전기저항은 어떤 관계가 있나요 



전기저항을 조절하는 방법

0.5mm 샤프심과 0.3mm 샤프심을 비교해볼때 샤프심의 굵기는 전기저항과 어떤 관계가 있다고 생각합니까?
두 실험을 통해 전기저항을 조절할 수 있는 방법을 찾아 탐구노트에 정리해봅시다. 실험을 통해 샤프심이 짧을 수록 밝고, 또 굵을수록 밝다는 것을 알 수 있습니다.
즉 전기저항은 길이가 길수록, 굵기가 가늘수록 큽니다.
전선에 전류가 흐르면 열이 발생합니다. 저항때문이죠.
전류가 세면 더 많은 열이 발생합니다. 심하면 화재가 발생하지요. 큰 전류가 필요한 대형건물엔 아무전선이나 사용하면 안되지요. 어떤 전선을 사용해야 할까요? 저항을 줄이는 방법을 탐구노트에 적어보세요. 



직렬연결과 병렬연결

저항을 직렬로 연결하면 저항이 커지고, 저항을 병렬로 연결하면 저항이 작아집니다.
실험으로 확인해 보겠습니다. 나는 전구 두 개를 직렬로, 다는 병렬로 연결한 경우입니다.
가와 밝기를 비교해 보세요. 같은 전압이라면 전류가 셀수록 밝게 빛납니다.
밝기를 보고 어느 회로의 저항이 큰지, 비교해 탐구노트에 적어보세요.
나는 가보다 어둡고 다는 가보다 밝습니다.
즉 전구 2개를 직렬로 연결하면 저항이 커지고, 병렬로 연결하면 저항이 작아진다는 것을 알 수 있습니다.
전류계로 확인해보니, 나의 전류가 약하네요. 저항이 크다는 것을 알 수 있습니다. 다는 반대이지요.
실제로 10Ω 짜리 저항 두 개를 직렬로 연결하면 20Ω 이 되고, 병렬로 연결하면 5Ω 이 됩니다. 



저항의 연결법, 길이, 굵기의 관계 1

저항을 직렬로 연결하며 왜 저항이 커지고, 병렬로 연결하면 왜 저항이 작아질까요?
이런 저항의 연결법과 앞에서 다룬 저항의 길이, 굵기에 대한 관계는 상관없을까요?
탐구노트에 적어보세요. 



저항의 연결법, 길이, 굵기의 관계 2

저항을 직렬로 연결하면 저항이 길어지는 것과 같습니다. 저항이 커집니다. 전류가 약하게 흐릅니다.
저항을 병렬로 연결하면 저항이 굵어지는 것과 같습니다. 저항이 작아집니다. 전류가 세게 흐릅니다.
그런데 왜 길면 저항이 크고 굵으면 저항이 작은걸까요? 저항은 왜 물질마다 다를까요? 




저항의 특징 정리

전류를 방해하는 정도를 저항이라고 합니다.전류는 전하의 흐름, 그러니까 전자의 움직임인데, 그럼 무엇이 전자의 이동을 방해할까요? 전자가 지나다니는 길에 무엇이 있나요?
원자핵은 전자의 흐름을 방해합니다. 전자는 원하는 대로 쭉쭉 나아가지 못하고 마치 비탈을 굴러내려오는 구슬이 못에 부딪혀 이리저리 튕기는 것처럼 천천히 내려갑니다. 구슬에 부딪힌 못이 흔들리듯 전자의 흐름은 원자핵을 진동시키고 이 때문에 열이 발생합니다.
그럼 저항이 길다는 것은 어떤 효과를 가져올까요? 굵다는 것은? 결국 원자의 배열에 따라 전자의 흐름을 방해하는 정도가 다르니 저항은 물질마다 다르고 길수록 통과해야 하는 어려움이 많으니 길수록 저항이 크고, 굵으면 길이 넓어지니 굵을수록 저항은 작습니다.
이제 밝은 전구의 필라멘트가 굵은 이유, 큰 건물엔 굵은 전선을 사용해야 하는 이유를 알겠지요? 


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