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금속의 전도 현상

저작시기 2007.04 |등록일 2010.04.25 파워포인트파일MS 파워포인트 (ppt) | 22페이지 | 가격 1,000원

소개글

금속의 전도과정에 있어서 영향을 끼치는 요인, 원리 등에 대해

쉽게 설명한 PPT 자료입니다.

A+ 나왔네요.

목차

① 금속의 전기전도
- 금속 전기저항의 성질
② 금속의 전기저항
- 전기장 E에 따른 자유전자의 운동
- 전기저항의 필요성과 열과의 관계
- 옴의 법칙과 줄열(Joule heat) 식 유도
- 결론

본문내용

발표때 썼던 대본입니다.

금속의 전도 현상을 고전적인 전자론에 의한 전기저항의 내용을 중심으로 발표 하겠습니다. 발표 개요를 살펴보시면 첫 번째 금속의 전기전도에서 금속 전기저항의 성질 세 가지에 대해 간단히 살펴보고 두 번째로, 금속의 전기저항에서 전기장E에 따른 자유전자의 운동, 전기저항의 필요성과 열과의 관계, 옴의 법칙과 줄열식 유도 그리고 마지막 결론의 순서로 발표를 진행하겠습니다. 금속의 전도 현상에서 전도가 얼마나 잘되는지 안되는지 영향을 주는 중요한 요소가 저항에 관한건데, 일반적으로 금속의 전기저항에 대한 성질에는 다음과 같은 세 가지 성질이 있습니다.
첫째로, 옴의 법칙이 성립하고
두 번째로, 온도상승에 따라 저항값이 증가 즉, 온도와 저항 값이 비례한다는 성질이 있고, 마지막 세 번재로, 줄의 법칙이 성립합니다. 뒷부분에 자세한 식 유도와 설명이 나오기 때문에 여기선 간단히 개념적인 내용만 집고 넘어가겠습니다.
첫 번째 성질 옴의 법칙은 전류의 세기는 두 점사이의 전위차 즉 전압에 비례하고 전기저항에 반비례하는 법칙으로 다음과 같이 전류밀도는 비저항분에 전기장의 에너지로 나타낼 수 있습니다. 여기서 비저항의 역수를 취한것을 전기전도도라고 하고 위 식의 비저항을 전기전도도로 고치면 다음과 같이 전류밀도는 전기전도도와 전기장의 에너지의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 옴의 법칙을 고등학교때 배웠던 V=IR로 알고 있는 분들이 계실텐데요. V=IR과 방금 설명한 옴의 법칙과의 관계를 말씀드리면 전류밀도는 단위 면적에 얼마만큼의 전류가 흐르는지를 나타내므로 면적분에 전류로 나타낼 수 있고 전기장의 세기는 단위길이분의 전압으로 나타낼 수 있으므로 이 식을 정리하면 V=IR이라는 식이 나옵니다. 결론적으로 두식은 같은 식이지만 V=IR는 실험에 의해서 V와 I이 거시적으로 측정된 양으로 거시적 형태의 옴의 법칙이라고 하고 J=E/로우는 미시적인 옴의 법칙이라고 합니다. 두 번째 성질은 다 아시다시피 온도 상승에 따라 저항값이 증가한다는 것인데요. 이 그래프는 실험적으로 온도상승과 저항값이 비례한다는것을 나타낸 그래프입니다. 저항은 다음과같이 나타낼 수 있는데 위식은 섭씨온도일 경우 아래식은 절대온도일경우를 나타낸것입니다. 위 식을 비저항에 대해서 변환하면 다음과같이 나타낼 수 있습니다. 마지막으로 줄의 법칙이 성립하는데 줄의 법칙은 저항체에 흐르는 전류의 크기와, 이 저항체에서 단위시간당 발생하는 열량과의 관계를 나타낸 법칙으로 저항에 의해서 열이 발생한다는것이 중요합니다. 간단하게 말해서 저항을 갖는 금속에 전류를 통하면 줄열이 발생하는데 단위시간 내에 발생하는 줄열은 다음과 같이 나타낼 수 있고 단위 부피당의 발열량은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
지금까지는 금속의 전기저항을 현상론적으로 고찰한 결과이고 이제부터 실제로 왜 금속 저항이 이와 같은 성질을 지니게 되는지 미시적으로 설명하겠습니다. 자유전자와 전기장 E에 관한 내용인데 자유전자는 다들 아시다싶이 원자핵의 힘으로부터 벗어나 자유롭게 여러방향으로 움직이며 (전자 상호간의 힘이나 금속 이온과 작용하는 쿨롱의 힘에 의해서)운동방향과 속도가 변화하는데요. 전기장 E가 ‘0’일때 즉 외부에서 어떤 힘도 가해지지 않았을때 자유전자의 운동은 그림과 같이 일정한 방향을 가지지 않고 무질서하게 움직이게 됩니다. 따라서 자유전자의 평균속도가 ‘0’ 이 되고 전류가 흐르지 않습니다. 이제 반대로 전기장의 에너지가 0이 아닐때 즉 외부에서 어떤 전기적인 힘이 가해졌을땐 전자가 전기장으로부터 E를 얻어 특정방향 그러니가 전기장의 방향과 반대방향으로 이동하기 때문에 평균속도는 0이아닌 값을 가지게 되고 이런 움직임이 전기전도에 기여를 하게 됩니다. 그러면 이런 이론대로라면 시간을 무한대 즉 전기장E를 무한정 주게되면 자유전자가 계속 가속되기 때문에 전류도 무한대가 되야하지만 실제로 전류는 일정한 값을 가지게 됩니다. 아까 말씀드린 옴의법칙으로 살펴봐도 전기장이 일정할 때 전류밀도가 일정한 값을 가지므로 설명이 안됩니다. 그 말은 속도가 일정하다는것이고 속도가 시간에 의존하지 않는 다른 현상을 고려할 필요가 생기고 이것이 전자가 금속 이온에 충돌함으로써 일어나는 산란현상인 전기저항으로 해석되게 된것입니다. 모든 물질의 성질에서 열은 빼놓을 수 없는 중요한 요소인데 전 수업시간에 배웠던것처럼 열이 발생하면 격자진동이 발생하고 결함이 생기게 되는데 전자가 진동하는 격자와 에너를 교환하게 됩니다. 여기서 에너지를 교환할 때 열 전달자 역할을 하는것이 포논이고 이 때 발생하는 열 에너지를 줄열이라고 합니다. 여기서 격자의 열진동은 온도가 낮아짐에 따라 감소하기 때문에 절대영도 부근에서 저항이 0이 될거라고 추측하는데 실제로는 절대영도에서도 저항이 존재합니다. 그 저항을 잔류저항이라고 하는데 이 원인은 불순물이나 전위등 격자결함에 의해서 전자가 산란되기 때문으로 간주됩니다. 그러나 모든 물질이 그런것은 아니고 절대영도 이전에 특정 온도에서 저항이 0으로 떨어지는 물질이 있는데 그런 금속의 현상을 초전도 현상이라고 합니다. 지금까지 설명한것처럼 주기적이며 이상적인 질서를 교란하는 요인, 즉 저항의 요인에는 격자진동, 결함, 불순물, 결정입계가 있습니다. 제 발표는 여기까지고 이어서 다음 발표자가 고전론적 전기저항의 해석에 의해서 옴의법칙과 줄열식을 유도하고 결론을 맺겠습니다.

참고 자료

<각종 전공 서적, 인터넷>
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