연결 부위를 “잡기만” 했는데 결과가 달라졌다!? 전압 실험에서 놀랍도록 완벽한 데이터가 나온 이유 (전압의 성질)
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일매일이 실험입니다.
전기는 눈에 보이지 않지만, 어떻게 연결하느냐에 따라 전혀 다른 움직임을 보여줍니다. 직렬로 연결할지, 병렬로 연결할지. 단지 그것만으로 전압이 나뉘는 방식이 완전히 달라집니다. 이번에는 그 “규칙성”을 실험 데이터를 통해 선명하게 드러내 보았습니다. 데이터가 너무나 아름답게 맞아떨어져서, 수업 중에 저도 모르게 “와, 정말 아름답다!” 하고 감탄해 버렸습니다. 참고로 학생들은 멍하니 바라보고 있었습니다.
먼저 워밍업〜디지털 전압계 사용법 확인하기〜
본격적인 실험에 들어가기 전에 디지털 전압계 사용법을 다시 확인했습니다. 20옴 저항 하나와 3V 전원 장치를 이용해 회로를 만들고, 저항 양쪽의 전압과 전원 장치 양쪽의 전압을 측정했습니다. 그러자 정확하게 일치하는 조도 있었고, 약간 차이가 나는 조도 있었습니다。
그래서 시도해 본 것이, 회로의 연결 부분을 가볍게 “꾹 잡아주는(꾹꾹 눌러주는)” 방법이었습니다. 그러자 모든 조의 측정값이 꽤 비슷하게 맞춰졌습니다. 이것은 전기 회로에서 매우 중요한 포인트를 알려줍니다. 접촉 불량은 측정 오차의 큰 원인이라는 점입니다. 도선과 단자 사이에 눈에 보이지 않을 정도의 틈만 있어도 그곳에 불필요한 “접촉 저항”이 생겨 전압 측정값이 달라지는 것입니다.
손으로 눌러주면 접촉 면적이 넓어지고 저항이 줄어듭니다. 단순하지만 매우 중요한 깨달음이죠. 이 경험을 바탕으로, 실험 전에 반드시 확인해야 할 사항들을 학생들과 공유했습니다.
・회로를 만든 뒤에는 연결 부위를 정리한 후 측정할 것
・측정할 회로를 완전히 만든 다음 차례대로 전압을 측정할 것
・전압계는 조당 1대. 차분하게 순서대로 측정하기
가설을 세우고 실험으로〜이번에는 수식으로 예측하기〜
오늘의 핵심 주제는 직렬 회로와 병렬 회로에서 나타나는 전압의 규칙성입니다. 실험 전에 각 조별로 가설을 세우게 했습니다. 이번에는 전류 실험 때와 달리 가설을 학급 전체와 공유하지 않고, 조 안에서만 공유하도록 했습니다. 또한 가설도 단순한 “감”이 아니라, 수식을 사용해서 표현하도록 요구했습니다. “V₁ + V₂ = V”처럼 기호와 식으로 예측을 세우면 실험 결과와 비교하기 훨씬 쉬워집니다. 사용한 저항은 두 개. 10옴과 20옴입니다. 자, 이제 실험 시작입니다.
직렬 회로 결과〜덧셈이 완벽하게 맞아떨어졌다!〜
모든 반의 데이터를 하나의 스프레드시트 파일에 모아 학생들이 각자 로그인해서 값을 입력했습니다. 이렇게 하면 하나의 실험이 아니라 8개의 실험 데이터를 함께 볼 수 있어 경향을 훨씬 쉽게 찾을 수 있기 때문입니다. 그리고 그 결과는 놀라울 정도로 아름답게 정리되었습니다.
저항 a의 전압 + 저항 b의 전압 = 전원 전압
이 관계가 모든 조의 데이터에서 선명하게 나타났습니다. 직렬 회로에서는 전압이 저항 크기에 비례해 “분배”됩니다. 10옴과 20옴의 비율은 1대 2이므로, 전압도 1대 2로 나뉘어야 합니다. 데이터는 정확히 그 예측대로 나타났습니다. 전기의 에너지는 “소모되는” 것입니다. 전원이 밀어낸 에너지가 저항을 지날 때마다 조금씩 사용되고, 마지막에는 정확히 0이 되어 돌아옵니다. 그것이 직렬 회로에서의 전압 모습입니다.
병렬 회로 결과〜전부 똑같다! 이것이 병렬의 특징〜
이어서 병렬 회로 결과입니다. 이쪽도 데이터가 정말 멋지게 맞아떨어졌습니다. 전원 전압도, 저항 a의 전압도, 저항 b의 전압도 모두 거의 같은 값이 나왔습니다. 병렬 회로에서는 각각의 저항이 전원에 “직접 연결된 상태”가 됩니다. 모든 저항이 같은 전압을 받기 때문에 측정값도 모두 같아지는 것입니다. 가까운 예로 말하면, 가정의 콘센트가 바로 이 원리입니다. TV도 냉장고도 조명도 모두 100V라는 같은 전압으로 작동하죠. 병렬 연결이기 때문에 모든 가전제품이 같은 전압을 받을 수 있는 것입니다.
이번에는 왜 이렇게 예쁜 데이터가 나왔을까?
사실 이 실험은 평소에는 규칙성을 찾기 어려울 정도로 데이터가 많이 흔들리는 경우가 많습니다. 예를 들어 이것은 예전에 진행했던 병렬 회로 실험 결과입니다.
상당히 큰 편차가 있어서 성질을 파악하기 어렵다는 것을 알 수 있습니다. 그런데 이번에는 지금까지 중 가장 선명하다고 할 정도의 결과가 나왔습니다. 원인으로 생각되는 것은 두 가지입니다.
첫 번째는, 연결 부위를 “꾹 잡아준다”는 의식을 심어준 것입니다. 이것으로 접촉 저항이 줄어들어 측정값이 안정되었습니다.
두 번째는, 도선을 새것으로 교체한 것입니다. 오래 사용한 도선은 내부가 끊어지기 직전 상태가 되거나, 피복이 낡아 접촉이 불안정해질 수 있습니다.
실험 도구의 상태를 제대로 관리하는 것이 실험 정확도에 얼마나 큰 영향을 주는지 다시 한번 실감하게 되었습니다.
참고 자료
・실험에 사용한 스프레드시트는 여기입니다. 보기 전용이므로 복사해서 사용해 주세요.
・이전 실험 기록은 아래를 참고해 주세요.
직렬 회로
병렬 회로
・참고 지금까지의 흐름
- 연필 회로 1차시
- 회로도 그리는 방법 2차시
- 전류계 사용법 3차시
- 전구 앞뒤의 전류는 어떻게 될까? 4차시
- 전류의 규칙성 직렬 회로・병렬 회로 5차시
- 아날로그에서 디지털 전압계로 6차시
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