발전기 만들기 실험_에너지

 수업목표

- 에너지에 대해 알아보기

- 운동에너지에 대해 알아보기

- 발전기의 원리에 대해 알아보기

 

1. 에너지의 사전적 의미

에너지란 물리적인 일을 할 수 있는 능력. 에너지의 크기는 물체가 할 수 있는 일의 양을 의미합니다. 단위는 일의 단위와 같이 줄([J]: joule)을 사용합니다.

 

1) 에너지를 사용할 때 일어나는 여러 가지 현상

- 자동차가 움직인다.

- 전등을 켠다.

- 음식을 조리한다.

- 집을 따뜻하게 해 준다.

- TV를 보게 해 준다.

- 등대의 불빛을 밝힐 수 있다. 기타 등등

 

2) 에너지라는 말을 사용하는 여러 가지 예에서 공통점이 무엇인지를 찾아봅니다.

- 무엇인가를 움직이게 한다.

- 빛을 밝혀 준다.

- 온도를 변하게 한다.

- 소리를 낸다.

- 물체를 변형시킨다. 등

 

2. 에너지의 종류

어떤 물체가 자기 자신을 변화시킬 능력을 가지고 있거나, 그 주변 혹은 다른 물체를 변화시킬 수 있는 능력을 가지고 있다면 그 물체는 에너지를 가지고 있다고 합니다. 산들산들 불어오는 바람, 댐에 갇혀있는 물, 따뜻한 바다, 누군가에 의해 잡아당겨져 있는 용수철, 높이 치켜든 망치 등도 에너지를 가지고 있습니다.

 

1) 운동에너지

움직이고 있는 물체가 가지고 있는 에너지

도로 위를 달리는 오토바이, 달리는 열차, 투수가 던진 공, 달리기를 하고 있는 운동선 수처럼 움직이         는 모든 것은 운동에너지를 가지고 있습니다.

운동에너지는 움직이는 속도가 클수록 그리고 움직이고 있는 물체의 질량이 클수록 커집니다.  

 

2) 위치에너지

물체는 평형상태로부터 위치가 변하면 에너지를 저장할 수 있는 에너지 예를 들어 평형상태보다 늘어나 있는 용수철이나 화살을 쏘기 위해 활시위가 팽팽히 당겨진 활은 위치에너지를 가지고 있습니다.

 

3) 그 외 여러 가지 에너지

• 자기 에너지 : 자성체가 자기화하거나 전류가 자기 마당을 만들 때에 생기는 자기적 에너지.

• 전기 에너지 : 공해가 없고 여러 가지 에너지로 쉽게 전환되지만, 감전의 위험이 있습니다.

• 화석 에너지 : 채굴이 쉽지만, 매장량이 한정되어 있고 이산화탄소를 배출하여 환경을 오염시킵니다.

• 태양 에너지 : 공해가 없고 무한히 얻을 수 있지만, 효율이 떨어지고 사용하려면 많은 비용을 들여

               시설을 만들어야 합니다.

• 풍력 에너지 : 오염물질을 배출하지는 않지만, 바람이 많이 부는 장소와 시간에만 사용할 수 있습니다.

 

4) 에너지의 형태는 서로 바뀐다. 

에너지는 한 형태에서 다른 형태로 바뀔 수 있습니다. 우리는 흔히 ‘에너지를 사용한다’고 말하지만 사실은 에너지를 사용하여 없어지게 하는 것이 아니라 다른 형태로 바꾸는 것입니다.

예를 들어 가정에서 사용하는 전기기구들은 가정으로 공급된 전기에너지를 없어지게 하는 것이 아니라 전기에너지를 다른 형태의 에너지로 바꾸어줍니다. 텔레비전에서는 전기에너지가 빛에너지와 소리에너지로 바뀝니다. 전기 에너지는 전열기구에서는 열에너지로, 전등에서는 빛에너지로, 오디오에서는 소리에너지로 바뀝니다. 전기에너지도 위치에너지와 운동에너지 그리고 연료의 화학에너지 등이 변형되어서 만들어진 것입니다. 이렇게 에너지는 서로 다른 형태로 변형될 수 있는데 변형되는 과정에서 에너지가 감소하거나 없어지지는 않습니다. 한 에너지가 감소하면 감소한 만큼 다른 종류의 에너지가 생성됩니다. 컴퓨터를 켜서 전기에너지를 사용하면 전기에너지를 사용한 만큼 빛에너지, 소리에너지, 열에너지가 생기는 것입니다. 이렇게 에너지가 서로 다른 에너지로 전환되더라도 그 총량이 항상 일정한 것을 에너지 보존 법칙이라고 합니다.

에너지 보존 법칙에 의하면 에너지는 새로 만들어지는 것이 아니라 다른 에너지의 형태로 바뀝니다. 댐에 고여 있는 물이 가지고 있는 위치에너지는 수력 발전소에서 발전기를 돌리면서 전기에너지로 바뀝니다. 원자력 발전소에서는 우라늄이 핵분열할 때 발생하는 열이 전기에너지로 변형됩니다. 그리고 이 전기에너지가 각 가정으로 전달되어서 전열기로 들어가면 열에너지로 바뀌고, 전등으로 들어가면 빛에너지 등으로 바뀝니다.

녹즙기에서는 전기에너지가 역학적 에너지로 바뀝니다. 

 

5) 운동에너지가 열에너지로 전환되는 예

① 부싯돌을 부딪치면 운동에너지가 열에너지와 소리에너지(소리에너지는 크게 분류하면 다른 에너지에 포함)

로 전환됩니다.

② 우주선이 지구로 귀환할 때 공기와 굉장한 마찰을 하며 표면에 굉장한 열이 가해짐

   (운동에너지가 열에너지로)

 

 

6) 다른 에너지에서 운동 에너지로 전환되는 예

① 아파트에서 아래로 물풍선을 던지면 물풍선이 정지해 있다가 속력이 빨라진다.

② 자이로드롭에서 꼭대기에서 정지해 있다가 아래로 떨어지면 속력이 빨라짐.

   (위치에너지에서 운동에너지로)

③ 밥을 먹어서 ATP로 저장된 에너지가 인산을 떼면서 운동에너지에 쓰임

④ 바람의 힘으로 바람개비를 돌린다.

⑤ 떨어지는 물의 힘으로 물레방아를 돌린다.

⑥ 다른 에너지를 운동 에너지로 이용하는 경우

   선풍기, 믹서기 : 전기에너지  운동에너지

  ․ 비행기 : 석유화학에너지  운동에너지

 

3. 발전기

 

1) 정의

기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기기.

 

2) 발전기는 어떠한 작용으로 전기를 일으키게 되는가?

발전기마다 약간씩 다르고, 발전기의 원리는 복잡해서 설명이 길어집니다.

자속 B 속에 도선을 힘 F로 움직이게 되면 도선에는 전류가 흐르게 됩니다.  발전기의 원리인 플레밍의 오른손 법칙입니다. 코일 안으로 막대자석이 움직이면 플레밍의 오른손 법칙에 의하여 도선에 전류가 흐르게 됩니다. 그때 도선에 흐르는 전류는 다시 전동기의 원리인 플레밍의 왼손 법칙이 작용하여 힘이 발생합니다. 이 힘이 역기전력입니다. 즉, 막대자석의 운동방향과 반대로 작용하여 막대자석의 운동을 방해하게 됩니다.  이 역기전력의 크기는 전류의 세기에 비례합니다. 실제로 발전기에서도 발전기에 연결된 부하가 전류를 많이 사용하게 되면 발전기내부의 역기전력이 커져서 발전기의 회전을 방해합니다. 그래서 더 큰 힘으로 발전기를 돌려야 합니다. 이 또한 에너지 보존의 법칙이 그대로 적용이 되는 것입니다.

 

<<참고>>

* 기전력 : 전위가 서로 다른 두 점 사이의 전위차를 이용하여 전류를 흐르게 하는 힘. 단위는 볼트(V). 

* 역기전력 : 회로에 작용하고 있는 기전력의 반대 방향으로 작용하는 기전력. 직류 전동기의 전동자에

         전류를 흐르게 하여 운전할 경우에, 전동자와 계자의 상대 운동에 의한 전자기 유도에 의

         하여 코일 속에 반대 방향으로 유기되는 기전력 따위입니다.

 

4. 모터의 원리

모터는 회전력을 발생시키는 기계로, 흔히 전동기라고 부르기도 합니다.

 

 전개

1. 준비물과 역할

 

NO	품 명	규 격	수량	꽂는 장소	역할(비고)
1	저 항	1.5kῼ (갈초적금)	1	1.5k	전류의 양을 조절해 주는 부품
		560ῼ (초파갈금)	1	560
		220ῼ (적적갈금)	1	220
2	다이오드	IN4148	4	D1~D4
3	트랜지스터	C9013	2	C9013	전류증폭
4	멜로디 IC	66T	1	U1	1곡의 멜로디 저장
5	LED (발광다이오드)	적색	1	RED	전기가 흐르면 빛을 내는 부품
		녹색	1	GREEN
6	슈퍼 콘덴서		1		전기를 모아주는 부품
7	보턴 스위치		1	PLAY SW
8	스피커		1
9	DC모터(조립부품)		1
10	전선		2
11	커넥터		1

 

2. 조립해 보기

1) 저항 꽂기

  색 띠에 주의하여 저항 연결하기

 

저항 값	색 띠	비고
1.5kῼ	갈색 초록 적색 금색
560ῼ	초록 파랑 갈색 금색
220ῼ	적색 적색 갈색 금색

가로로 연결할 때  금색 띠가 오른쪽 방향으로 세로로 연결할 때 금색 띠가 아래 방향을 향하게 꽂습니다.

 

2) 다이오드 꽂기 (D1~D4)

  다이오드는 극성이 있으므로 극성에 주의하여 꽂습니다.

   여기에서 하는 역할은 DC모터에서 전류가 발생할 때 트랜지스터의 정격전류 이상의

   전류를 막아주는 역할을 합니다.

   그리고, 반대로 모터를 돌리게 되면 역전압이 발생하는데 이때의 역전압을 막아주는

   역할을 합니다.

 

 

 

3) 트랜지스터 꽂기

  방향에 주의하여 기판에서 1cm 띄어 꽂습니다.

 

4) LED(발광다이오드)

발광다이오드는 전류가 흐르면 빛을 발하는 반도체이므로 극성에 주의하여 꽂습니다.

A(+)⇒ K(-)로 전류가 흐르며 리드선이 긴 쪽이 A(에노우드) 짧은 쪽이 K(케소우드)

 

• 빨간색 LED : DC모터를 돌리면 불이 들어옵니다.(거꾸로 돌릴 경우 불이 들어오지 않음)

• 초록색 LED : 슈퍼콘덴서에 완전히 충전되면 불이 들어옵니다.

 

5) 슈퍼콘덴서(용량이 매우 큰 콘덴서)

   극성에 주의하여 꽂습니다.

   긴 다리 (+), 짧은 다리 (-)입니다.

 

6) 스피커 연결하기

 

7) 모터 조립하기

DC모터의 기어를 순서에 맞게 조립한 후 기어박스를 닫아줍니다.

기판의 DC모터 부분에 DC모터를 볼트로 조립합니다.

 

 

3. 발전기의 동작원리

DC 모터를 돌리는 힘은 운동에너지이고, 이 운동에너지에 의해 자기장이 형성(자기 에너지 발생)되고, 전류가 발생하게 됩니다. 이 전류가 회로를 통해 슈퍼 콘덴서에 저장이 되고, 충전이 완전히 되게 되면 초록색 LED에 불이 들어오게 됩니다. 여기에 모인 전류는 스위치를 누르게 되면 방전이 시작되고, 이 전류에 의해 회로가 동작하여 멜로디 소리가 나오게 되고, 방전이 다 될수록 멜로디가 점점 느려지다가, 완전히 방전이 되면 소리가 나지 않게 됩니다.