실험 개요
V = IR로 알려진 옴의 법칙은 모든 도체에 성립하는 것이 아니라, 일정 조건에서 V와 I가 비례하는 옴성 도체(저항기)에만 적용된다. 학부 실험에서는 표준 저항기, 백열전구, 다이오드를 같은 회로에서 측정해 옴성·비옴성 거동의 차이를 가시화한다. 예비보고서에서는 옴의 법칙의 미시적 의미(고정 이동도 가정), 전류·전압 측정 회로의 두 배치(전류계 정밀 vs 전압계 정밀), 측정기의 내부저항이 만드는 체계오차를 다룬다.
이론 배경
거시적 옴의 법칙
V = IR. 저항 R = ρL/A로 재료의 비저항 ρ, 길이 L, 단면적 A에 의존. 비저항은 온도의 함수이며 금속에서는 거의 선형으로 증가한다.
미시적 표현
J = σE. 자유전자의 평균 표류속도가 전기장에 비례하는(이동도 일정) 가정 하에 성립. 백열전구 필라멘트는 온도가 올라가며 ρ가 커져 V–I가 휘어진다.
측정 회로의 체계 오차
전류계와 전압계 배치에 따라 두 가지 회로가 가능하다. (1) 전압계가 저항과 병렬, 전류계가 직렬 외부: 전류계가 측정하는 I에 전압계 분기 전류가 포함됨 → 작은 R에 적합. (2) 전류계가 저항과 직렬, 전압계가 둘 모두 양단: 전압계가 보는 V가 전류계 전압강하를 포함 → 큰 R에 적합.
실험 장치 및 시약
- — DC 전원장치(0~10 V 가변)
- — 디지털 멀티미터 2대 (전압계, 전류계)
- — 표준 저항기(100 Ω, 1 kΩ), 백열전구(6.3 V 0.3 A)
- — 브레드보드, 점퍼선
실험 절차
- 1.표준 저항기 100 Ω을 회로에 연결하고 전압을 0~5 V로 0.5 V씩 증가시키며 I를 기록한다.
- 2.V vs I 그래프가 직선임을 확인하고 기울기에서 R을 산출한다.
- 3.동일 절차를 백열전구에 적용해 V–I 곡선을 그린다.
- 4.다이오드를 직렬 보호저항과 함께 연결해 정방향·역방향 V–I를 측정한다.
데이터 처리
저항기: 직선 회귀로 R 산출, 색띠 표시값과 비교. 전구: V–I가 휘어진 곡선임을 확인하고, 동작점에 따라 dV/dI가 다름을 보인다. T(R) ≈ T₀ (R/R₀)k 같은 단순 모델로 필라멘트 온도를 추정할 수 있다.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
옴의 법칙은 '모든 도체의 법칙'이 아니라 '특정 조건의 경험식'이라는 점을 분명히 한다.
회로도
전류계·전압계 배치 두 가지를 모두 그리고, 어떤 경우에 어느 쪽을 쓸지 적는다.
자주 하는 실수
- — 전구의 V–I 곡선을 직선 회귀로 R을 구하는 것
- — 다이오드 측정 시 보호저항 없이 연결해 소자가 타는 것
- — 측정기 내부저항을 무시하고 V, I를 직접 사용하는 것
- — 옴의 법칙이 모든 도체에 성립한다고 적는 것
자주 묻는 질문
Q. 백열전구는 왜 옴의 법칙을 따르지 않나요?
전류가 흐르면 필라멘트 온도가 올라가 저항이 증가합니다. 텅스텐의 비저항은 100°C 상승당 약 50% 증가하므로, V를 두 배로 올려도 I는 두 배가 안 됩니다. 따라서 V–I가 위로 볼록한 곡선이 됩니다.
Q. 전류계와 전압계 배치를 왜 두 가지 중 골라야 하나요?
전류계는 작은 내부저항 rA를, 전압계는 큰 내부저항 rV를 가집니다. R이 rA와 비교 가능할 정도로 작으면 전압계 분기 전류가 무시 가능해 배치 (1)이 적합. R이 rV와 비교 가능할 정도로 크면 전류계 전압강하가 무시 가능한 배치 (2)가 적합. 잘못 고르면 체계오차가 크게 들어옵니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. — Fundamentals of Physics, 12th ed., Wiley, 2021
- [2]Irwin, J.D., Nelms, R.M. — Basic Engineering Circuit Analysis, 11th ed., Wiley, 2015