introduction to electrical...

Introduction to Electrical Engineering(P i i l d A li ti f El t i l E i i )(Principles and Applications of Electrical Engineering)

Dong-Weon Lee at MNTLSchool of Mechanical Systems Engineeringy g g

Chonnam National University

What is EngineeringPrinciples and Applications of Electrical Engineering Prof. Dong-Weon Lee

Purposeful use of Science

Design of a turbine requires collaboration fromWhat is lecture about

G i f l l t f Oh ’ l Ki hh ff’ l M ll’ ti

collaboration from engineers from many fields

Gainful employment of Ohm’s law, Kirchhoff’s law, Maxwell’s equation

From electrons to networks and op-amps

Chapter [email protected]

Abstraction: 추상

Prof. Dong-Weon LeePrinciples and Applications of Electrical Engineering


Prof. Dong-Weon Lee

Abstraction: 추상

Principles and Applications of Electrical Engineering



Apply Maxell’s equation: 전기장과 자기장과의 관계를 기술하는4개의 Equations

1. 체적 내부에 전하가 있을 때 체적의 표면을관통하는 전기력선의 합은 체적내부의전하량과 같다

2. 닫힌 체적의 표면을 관통하는 자기력선의체적의 통하 자기력 의합은 항상 0이다.

3. 변화하는 전기력(electric)이 발생하면 항상그에 수직하는 자기력 (magnetic)이발생하고


4. 그 역도 성립한다

Electrical engineering systems in the automobileProf. Dong-Weon LeePrinciples and Applications of Electrical Engineering


기계공학에서 자동차는?

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Basic in Electric Engineering (Cont.)강원도 무릉계곡


강원도 무릉계곡..


Voltage(電壓) vs Current(電流)

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Basic in Electric Engineering (Cont.)Principles and Applications of Electrical Engineering

Car Heater Fan Speed-Control Application: Control

? V 폭포?

12 V

폭포?

? V

차의 풍량 조절을 위해 손잡이를 돌리면 저항 값이 변화

전동기의 전류가 바뀌면서 풍량이 바뀜

이런 저항 회로를 해석하기 위하여 KCL, KVL 등의 회로이론을 도입


모터의 저항은?

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Basic in Electric Engineering (Cont.)Principles and Applications of Electrical Engineering

전기의 응용

Applications

전기의 응용

- 전기밥솥(electric rice cooker)- 전기프라이팬

- 식기세척기냉장고- 전기프라이팬

- 토우스터- 전기생선구이- 전기오븐

- 냉장고- 펌프- 환풍기- 에어컨전기오븐

- 전자레인지(??????? oven )- 전기포트- 믹서

에어컨- 세탁기- 청소기

믹서

Electric or ElectricalElectric or Electrical

전자사전 전자수첩 전자계산기 전자도서관 Mi l t i


전자사전, 전자수첩, 전자계산기, 전자도서관 …… Microelectronics……

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Basic in Electric Engineering (Cont.)Units


Units

단위계기본단위 : 길이 [meter : m] 질량 [kilogram : kg] 시간 [second : s]기본단위 : 길이 [meter : m] 질량 [kilogram : kg] 시간 [second : s]

온도 [kelvin : K] 전류 [ampere : A]보조단위 : 각도 [radian : rad]

기계적 단위계면적 [m2] 체적 [m3] 속도 [m/s]가속도 [m/s2] 각속도 [rad/s] 각가속도[rad/s2]에너지(일) [Joule : J N m] 에너지밀도 [J/m3] Power [watt : W J/s]에너지(일) [Joule : J = N.m] 에너지밀도 [J/m3] Power [watt : W = J/s]힘 [newton : N = kg.m/s2] 압력,응력 [Pascal : Pa = N/m2] 모멘트 [N.m]점도 [Pa.s] 질량밀도 [kg/m3]

전기적 단위계전하량 [coulomb : C = A.s] 커패시턴스 [farad : F = C/V]전압 [volt : V = W/A] 전기저항 [ohm : Ω = V/A]전기 전도도 [siemens : S = A/V] 주파수 [hertz : Hz = 1/s]자속 [weber : Wb = V.s] 자속밀도 [tesla : T = Wb/m2]인덕턴스 [henry : H = Wb/A]


Standard PrefixesProf. Dong-Weon LeePrinciples and Applications of Electrical Engineering


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Basic in Electrical Engineering (Cont.)Principles and Applications of Electrical Engineering

Electronics is the study of the flow of charge through various materials andd i h i d t i t i d t it

Electrical engineering = Electrical Eng. + Electronics Electrical engineering = Electrical Eng. + Electronics

devices such as, semiconductors, resistors, inductors, capacitors, nano-structures, and vacuum tubes. All applications of electronics involve thetransmission of power and possibly information. Although considered to be atheoretical branch of physics the design and construction of electronic circuitstheoretical branch of physics, the design and construction of electronic circuitsto solve practical problems is an essential technique in the fields ofelectronics engineering and computer engineering.


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전기의 근원은 전자Basic in Electrical Engineering (Cont.)Principles and Applications of Electrical Engineering

Hole과 Electron의 차이는?

원자와 전자의 크기는?

마찰로 전기가 일어나는 이유는?

자유전자의 이동은 왜 발생하는지?

전자의 이동과 전류의 관계는?

전하란? 시간에 따라 변화하는가?


전하란 시간에 따라 변화하는가

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전기전자공학전기전자공학 개론개론

사용하는 용어(Terminology) 각 element의 역할에 관하여 이해사용하는 용어(Terminology), 각 element의 역할에 관하여 이해

RLC의 기본 개념 이해 & 반도체 소자의 이해 신호의 필터링 & 증폭

수학적인 기법을 이용

회로내의 임의의 위치에서의 전류 및 전압을 계산

Power sources건전지, 전압/전류기, 신호발생기 등


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Charges: (Charges: (약약 25002500년년 AmberAmber로로 부터부터 처음처음 발견발견))

Charge의 중요 특성

(1) positive (hole), negative (electron) 극성을 가짐

(2) 전자 전하의 정수배: 1791년 정전기에 관한 논문 발표(2) 전자 전하의 정수배: 1791년 정전기에 관한 논문 발표(-1.6×10-19C, 전하량을 세는 기준이 되는 전자의 전하량)

(3) 전기적 효과를 발생(3) 전기적 효과를 발생

- 전하가 분리되면 전압이 발생, 전하가 흐르면 전류 발생.전하양은 전자 전하양의 정수배로 불연속 하지만 워낙 작은 양- 전하양은 전자 전하양의 정수배로 불연속 하지만 워낙 작은 양(-1.6×10-19 C) 이 굉장히 많으므로(예: 20。C 구리의 경우 전자 밀도1023개/cm3) 연속적이라고 판단


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Basic in Electrical Engineering (Cont.)ElEl 전자전자 ( f H l & P )


Electrons: Electrons: 전자전자 (cf. Holes & Proton)

The electron is a fundamental subatomic particle that carries a negative electric chargeelectric charge.

It is a spin-½ lepton that participates in electromagnetic interactions, and its mass is less than one thousandth of that of the smallest atommass is less than one thousandth of that of the smallest atom.

Its electric charge is defined by convention to be negative, with a value of −1 in atomic unitsin atomic units.

Together with atomic nuclei, electrons make up atoms; their interaction with adjacent nuclei is the main cause of chemical bonding.adjacent nuclei is the main cause of chemical bonding.

Electrons have an electric charge of −1.6022 × 10−19 coulomb, a mass of 9.11 × 10−31kg based on charge/mass measurements.g g /

The mass of the electron is approximately 1/1836 of the mass of the proton. The common electron symbol is e−.


y

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동전기 (galvanic electricity): 도체 내의 전하운동금속에서는 전기 발생시 도체를 타고 흐르기 때문에 정전기 현상이 거의

정전기

금속에서는 전기 발생시 도체를 타고 흐르기 때문에 정전기 현상이 거의일어나지 않음

정전기 (static electricity): 부도체의 마찰 시 발생하는 마찰전기명 리 피 라 틱 의 절연 질에 의해 쉽게 대전명주, 유리봉, 모피, 플라스틱 등의 절연물질에 의해 쉽게 대전전자를 잃은 물질은 양전하로 대전되고, 전자를 얻은 물질은 음전하로대전

정전유도 : 양전하 또는 음전하로 대전된 물체에 도체를 가까이하면반대극성의 전하가 유도됨. 이에 따라 정전 흡인력이 발생

쿨롱의 법칙 : 정전 흡인력의 정량화 된 계수

두 전하 사이의 전기력은 전기력선으로 표시두 전하 사이의 전기력은 전기력선으로 표시양전하에서 나와 음전하로 향함분포 밀도에 의해 전장의 세기 표시


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전류와전류와 전압전압 (Current and Voltage)(Current and Voltage)

Current: 정 의 : 임의의 단면을 단위 시간당 전하의 알짜 흐름단 위 : C/s = A (amperes)단 위 : C/s = A (amperes)1 A는 1 초에 1 coulomb의 전하가 흐른다는 의미

V ltVoltage:정 의 : 전하를 분리시키는 데 드는 단위 전하 당 에너지단 위 : J/C = V (volts)

는 의 에너지로 의 전하를 분리시켰다는 의미1 V는 1 Joule의 에너지로 1 coulomb의 전하를 분리시켰다는 의미


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Example 2.1: 원통형 도체의 총 전하량과 흐르는 전류는?

2r = 2×10-3m1 m 2r = 2×10 3mCharge density(n) = 1029carriers/m3

전하량(q) = 1.69×10-19CDrift velocity(υ) = 19 9×10-6m/s

2rDrift velocity(υ) = 19.9×10 m/s

Total charge & current (C/s)?

Vol (V)= 3.14×10-6m3( )# of carriers (N) = V×n = 3.14 × 1023 carriersTotal charges = qN = (1.69×10-19C)×(3.14×1023)=53×103C

단위길이당 Charge density(Q) 는? 53×103C/mg yCurrent(A) : Q×υ = (53×103)C/m×(19.9×10-6)m/s

∴ I = ~1 A(C/s)


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Basic in Electrical Engineering (Cont.)1W 1J/


Power & Energy1W=1J/s


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Ex) 기초 개념: 1l의 물을 데우는데 필요한 전력은?

가정: 전열기의 소비전력 500W, 물의 온도는 20ºC, 끓는 온도 100ºC(1 cm3의 물을 1도 올리는데 필요한 열량 1Cal)

A) 결국 1000 ml × (100ºC-20ºC) = 80,000[Cal]의 열이 필요

전력량 [Ws] = 열량 [Joule] Cal = 0.24 × I2 × R × t1 ml = 1 cm3

1 Cal = 4.18605 J

~ 333333 [Ws]의 전력량 필요

1초에 500 [W ]이므로 약 666초 의 시간이 필요

1 W = 1 J/s

1초에 500 [Ws]이므로 약 666초 의 시간이 필요

; 1l의 물을 끓이기 위해서는 약 11분 6초의 시간이 필요

1500 2000 W


1500 ~ 2000 W

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Basic in Electrical Engineering (Cont.)R i


• Electrical Engineering & Electronics• Electrical Circuit : Energy or signal/information processor

Review

• Electrical Circuit : Energy or signal/information processor• Circuit element : 회로를 구성하는 전기적인 소자

– 저항, 커패시터, 인덕터, OP-AMP 등• 전기공학에서는 모든 현상을 회로로 표현하며 이런 현상을 수학적으로 표현하는• 전기공학에서는 모든 현상을 회로로 표현하며, 이런 현상을 수학적으로 표현하는

것을 모델링이라 정의이미지를 표시할 수 없습니다 . 컴퓨터 메모리가 부족하여 이미지를 열 수없거나 이미지가 손상되었습니다 . 컴퓨터를 다시 시작한 후 파일을 다시 여십시오 . 여전히 빨간색 x가 나타나면 이미지를 삭제한 다음 다시 삽입해야 합니다 .


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R i 표현방법Basic in Electrical Engineering (Cont.)Principles and Applications of Electrical Engineering

Review: 표현방법

RMS값?


RMS값?

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