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전류계와 전압계의 사용

대한민국 교육부 2015. 7. 24. 09:59

전류계와 전압계의 사용

■ 전류계의 사용

전류의 세기를 직접 측정하는 방법으로 전류계를 이용할 수 있습니다. 전류계 내부에는 회전하기 쉽게 만든 자석이 코일 안에 들어 있고, 코일은 전류계의 눈금을 가리키는 바늘과 연결되어 있습니다. 전류가 코일을 통과하면 자석이 회전하는데 전류의 세기가 셀수록 자석이 회전하는 각도가 증가하고 코일에 연결된 바늘이 더 높은 숫자를 가리킵니다. 전류계는 회로에 직렬로 연결해 사용합니다. 매우 작은 전류도 감지할 수 있지만 전류계 자체에 내부 저항이 존재하기 때문에 정확한 전류의 세기를 측정하는 것이 어렵습니다.

▲전류계의 원리(출처: 에듀넷)

전류계는 사용하는 전류의 종류에 따라 교류 전류계와 직류 전류계로 나누어지고, 숫자를 읽는 방식에 따라 아날로그 전류계와 디지털 전류계로 나눌 수 있습니다. 직류는 시간이 지나도 전압이 떨어지지 않는 전기이며, 건전지가 이에 해당합니다. 교류는 시간이 지나면 전압이 떨어지고, 일반적으로 가정에서 사용하는 전기를 말합니다. 교류의 전류를 측정할 때 교류 전류계를 사용하고, 직류를 측정할 때 직류 전류계를 사용합니다. 전류계의 바늘이 가리키는 눈금을 읽는 것이 아니라 디지털 신호로 변환한 숫자가 나타나는 것이 디지털 전류계입니다.

▲직렬과 병렬(출처: 에듀넷)

■ 전압계의 사용

전압의 측정은 전압계를 이용합니다. 전압계의 작동 원리는 전류계와 비슷하지만 전류계는 직렬로 연결하는 반면, 전압계는 내부 저항이 크고 회로에 병렬로 연결한다는 차이점이 있습니다. 전압계의 내부 저항이 크기 때문에 전압계에 흐르는 전류를 최소화할 수 있습니다. 만약 전압계의 내부 저항이 작아지면 전류가 많이 흘러 들어가므로 정확한 값을 측정하기 어려워지는 단점이 있습니다. 또한 직렬로 연결할 경우 저항에 따라 전압이 변동되므로 병렬로 연결합니다.

[자료출처: 에듀넷]

1. 전류계 및 전압계 접속

​

▣ 전류계와 전압계의 접속방법에 대해 알아 보자

◈ 전류계와 전압계의 접속방법에는 다음과 같은 방법이 있다.

전류계는 전류의 흐름을 측정하는 계기이므로 전류계는 도선에 직렬로 연결하게 된다.

전압계는 도선에 걸리는 전압을 측정하기 위한 계기로서 도선에 병렬로 연결한다. 

▣ 전류계는 도체에 흐르는 전류, 전하량을 측정하는 것으로 측정대상 도체에 직렬로

    접속하여 전류를 측정한다. 이는 회로를 직렬로 연결할 때에는 각각의 부하에 전압은

    분배되지만 도체에 흐르는 전류는 일정하다는 원리를 이용한 것이다.

▣ 전압계는 측정하고자 하는 부하에 병렬로 접속하여 전압을 측정한다. 이는 회로를 병렬

    로 연결하면 도체에 흐르는 전류는 각각의 도체에 따라 분배되지만 각각의 부하에 걸리

    는 전압은 일정하다는 원리를 이용한 것이다.

​

2. 배율기

▣ 배율기는 전압계의 측정범위를 확대하기 위하여 전압계에 직렬로 연결하는 저항을 말한

    다. 이는 회로에 저항을 직렬로 연결하면 전압이 분배되는 원리를 이용한 것이다.

▣ 만약 100[V]의 회로가 있고 전압계의 측정범위가 100[V]이라면 이 전압계로 회로의

   전압을 측정할 수 있을 것이다. 하지만 1000[V]의 회로를 측정범위가 100[V]인 회로

   를 측정하게 되면 과전압으로 전압계가 타버릴 것이다.  이와같이 낮은 전압계를

   이용하여 높은 전압을 측정하려면 보완 작업이 필요하게 되는데 낮은 전압계로

   높은 전압을 측정하기 위하여 사용하는 장치로 배율기의 개념을 도입하게 된다.

▣ 이렇게 측정범위가 낮은 전압계로 높은 전압을 측정할 때 배율기를 사용하게 된다.

▣ 측정범위가 낮은 전압계로 높은 전압을 측정하는 경우에는 전압계에 직렬로 배율기

   저항을 달아 전압을 배분하면 된다. 즉 전압계의 내부저항 r​v이 10[Ω] 이라 하면

   전압 측정 범위가 100[V] 전압계로 1000[V]을 전압을 측정하려는 경우 1000[V]

   에서 100[V]를 뺀 900[V]의 전압을 배율기에 분담시키면 된다. 따라서 전압은

   저항에 비례하여 분담하게 되므로 배율기는 전압계보다 9배 많은 저항을 달면 된다.

​

※ 직렬 회로의 전압 분배법칙에 따라 전압계와 배율기의 전압을 구해 보자.

  ※ 배율기의 저항 : (10-1) rv (전압계 내부저항)

     일반화하면 배율기 저항 : (m-1) × rv (전압계 내부저항)

​

예제 : 다음 회로에서 전압계로 회로 전압을 측정하기 위한 배율기의 저항을 구하시오.

   배율기 저항값 : (m-1) × rv = (5-1) × 10 = 40 [Ω]

※ 전체 전압이 500[V]이고 전압계가 100[V]이므로 배율기에는 400[V]을 분담시키면

   된다. 전압은 저항과 비례하므로 전압계의 내부저항이 10[Ω]이므로 배율기는 전압계

   보다 4배 더 전압을 부담하므로 저항도 4배 크게 하면 된다. 따라서 배율기의 전압은

   전압계의 내부저항 10[Ω] × 4 = 40[Ω], 이렇게 구해도 된다.

​

예제 : 다음 회로에서 전압계로 회로 전압을 측정하기 위한 배율기의 저항을 구하시오.

   배율기 저항값 : (m-1) × rv = (4-1) × 5 = 15 [Ω]

※ 전체 전압이 200[V]이고 전압계가 50[V]이므로 배율기에는 150[V]을 분담시키면

   된다. 전압은 저항과 비례하므로 전압계의 내부저항이 5[Ω]이므로 배율기는 전압계

   보다 3배 더 전압을 부담하므로 저항도 3배 크게 하면 된다. 따라서 배율기의 전압은

   전압계의 내부저항 5[Ω] × 3 = 15[Ω], 이렇게 구해도 된다.

​

▣ m배 확대시 배율기 저항 : (m-1) rv

​

【 일반화 】

 ▣ 배율기 : 전압계 측정범위를 확대하기 위해 전압계에 직렬로 저항을 연결한다.

     m배 확대 : (m-1) × rv (전압계 내부 저항)

  ▣ 배율기는 자신보다 높은 전압을 측정하기 위해 측정하고자 하는 전압에 대하여

      자신의 전압을 뺀 전압을 배율기에 부담하도록 하는 것이므로 전압계의 내부저항값에서

      전체 배수에서 전압계 자신 즉 1을 뺀 값을 곱하여 배율기의 저항값을 산정하게 된다. 

3. 분류기

▣ 분류기는 전류계의 측정범위를 확대하기 위하여 전류계에 병렬로 연결하는 저항을 말한

    다. 이는 회로에 저항을 병렬로 연결하면 전류가 분배되는 원리를 이용한 것이다.

▣ 만약 10[A]의 회로가 있고 전류계의 측정범위가 10[A]이라면 이 전류계로 회로의

   전류를 측정할 수 있을 것이다. 하지만 100[A]의 회로를 측정범위가 10[A]인 회로

   를 측정하게 되면 과전류로 전류계가 타버릴 것이다.

▣ 이렇게 측정범위가 낮은 전류계로 높은 전류을 측정할 때 분류기를 사용하게 된다.

▣ 측정범위가 낮은 전류계로 높은 전류를 측정하는 경우에는 전류계에 병렬로 분류기

   저항을 달아 전류를 배분하면 된다. 즉 전류계의 내부저항 ra이 10[Ω] 이라 하면

   전류 측정 범위가 10[A]인 전류계로 100[A]의 전류를 측정하려는 경우 100[A]

   에서 10[A]를 뺀 90[A]의 전류를 분류기에 분담시키면 된다. 따라서 전류는

   저항에 반비례하여 분담하게 되므로 분류기는 전류계보다 1/9배 적은

   저항을 달면 된다.

​

【 일반화 】

▣ 분류기 : 전류계의 측정범위를 확대하기 위해 전류계에 병렬로 저항을 연결한다.

예제 : 다음 회로에서 전류계로 회로 전류를 측정하기 위한 분류기의 저항을 구하시오.

▣ 분류기 : 전류계의 측정 범위를 확대하기 위해 전류계에 병렬로 연결한 저항을 말한다.​