KR200446140Y1 - 발전 원리 설명용 실험 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전자기 유도에 의해 전기 에너지가 발생되는 원리와 대체 에너지원에 의해 전기 에너지가 발생 되는 원리를 설명하기 위한 발전 원리 설명용 실험 장치에 관한 것으로, 베이스판과, 상기 베이스판의 수직 방향으로 뻗어나온 제 1 거치대와 제 2 거치대, 상기 제 1 거치대와 회전축에 의해 결합되어 상기 회전축을 중심으로 축선회될 수 있으면서, 일측 가장자리에 손잡이가 부착된 제 1 회전 원판, 상기 제 1 거치대에 장착됨과 동시에 상기 제 1 회전 원판의 둘레면을 감싸고 있는 벨트와 연결되어 상기 제 1 회전 원판이 축선회될 때마다 상기 제 1 회전 원판과 동시에 회전되어 직류 전원를 발생시킬 수 있는 제 1 직류 발전기, 및 상기 제 1 직류 발전기와 연결되어 상기 제 1 직류 발전기로부터 전달되는 직류 전원의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 1 램프를 구비한다. 또한, 상기 제 1 직류 발전기에는 제 1 직류 발전기로부터 전달된 전압을 고정된 레벨로 유지한 다음, 상기 고정된 레벨의 전압을 가진 전원을 휴대용 배터리로 전달할 수 있는 정전압 발생부가 갖추어지고, 상기 정전압 발생부에는 제 1 직류 발전기와 정전압 발생부를 거쳐 출력된 직류 전원을 충전할 수 있는 휴대용 배터리가 장착된다. 또, 상기 휴대용 배터리에는 휴대용 배터리에 저장된 전압을 가시적으로 표현할 수 있는 전압 표시부가 장착됨과 동시에 상기 휴대용 배터리에 저장된 전원에 의해 제 1 팬(fan)을 회전시킬 수 있는 제 1 구동 모터가 장착된다. 또, 상기 제 2 거치대에는 내부가 중공됨과 동시에 양끝단이 개방되고, 바깥 둘레면에 제 1 코일이 권취된 제 1 원통형 철심이 장착되고, 상기 제 1 원통형 철심에는 외부로부터 전달되는 역학적 에너지에 의해 상기 제 1 원통형 철심의 내측을 왕복하면서, 상기 제 1 코일에 유도 기전력을 발생시킬 수 있는 제 1 막대 자석이 갖추어진다. 또, 상기 제 2 거치대에는 평상시 제 1 막대 자석을 상기 제 2 거치대상에 거치시킬 수 있도록 'ㄴ'자 형상의 걸림구가 2개 이상 장착된다. 상기 제 1 코일의 양끝단에는 제 1 막대 자석과 제 1 코일이 감겨진 제 1 원통형 철심에 의해 발생된 전압의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 2 램프가 장착된다. 또, 상기 제 2 거치대에는 상기 제 1 팬이 설치된 제 1 구동 모터와 서로 마주봄과 더불어, 상기 회전되는 제 1 팬의 풍력에 의해 제 2 팬을 회전시킴으로써 직류 전원을 발생시키고, 상기 제 2 램프를 점등시킬 수 있는 제 2 직류 발전기가 장착된다. 이러한 구조로 이루어진 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치는 학생들에게 특정 방향을 가진 힘에 의해 전기 에너지가 발생되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있고, 상기 발전기에 의해 발생된 전기가 휴대용 배터리에 충전되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있다. 또한, 코일이 감겨진 원통형 철심과 상기 원통형 철심의 내부를 반복적으로 이동할 수 있는 막대 자석을 이용하여 최초 전기가 발생 되는 과정을 일목요연하게 설명할 수 있다는 장점이 있다. 또, 풍력과 같은 대체 에너지원에 의해 전기가 발생되는 과정을 가시적으로 보여줌으로써, 학습자들의 궁금증을 해소할 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 아이들의 상상력을 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

발전 원리 설명용 실험 장치{A TEST EQUIPMENT FOR EXPLAINING A PRINCIPLE OF POWER GENERATION}

본 고안은 전기 에너지가 발생되는 원리와 대체 에너지를 이용하여 전기 에너지가 발생 되는 원리를 설명하기 위한 발전 원리 설명용 실험 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 역학적 에너지에 의해 전기 에너지가 발생 되는 원리를 설명하고, 풍력 에너지에 의해 전기 에너지가 발생 되는 과정을 설명하기 위한 발전 원리 설명용 실험 장치이다.

일반적으로 지구상에 남아 있는 부존 자원이 부족해짐에 따라 대체 에너지원의 필요성이 급부상되고 있고, 상기 대체 에너지원을 개발하기 위하여 과학 인재의 조기 육성에 대한 필요성이 대두 되고 있는 실정이다.

하지만, 상기 과학 인재들을 교육하는 대부분의 학교에서는 응용 과학에 대한 실습 교재가 전무한 상태이고, 이에 따른 학생들의 관심과 이해력의 부족으로 응용 과학에 대한 낙후성을 벗어날 수 없다는 문제점이 있었다.

또한, 국가의 미래 산업임과 동시에 고부가 가치 산업인 대체 에너지원에 대한 교육 투자가 소홀해짐에 따라 과학 인재를 양성하는 발판을 마련할 수 없다는 등의 문제점이 있었다.

한편, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 실용 신안으로 출원하여 등록된 실용 신안 등록 번호 20-279402호의 "자연의 운동 에너지를 이용한 발전 실습용 학습 교재"와 같은 고안이 공개되었는바, 상기 제시한 자연의 운동 에너지를 이용한 발전 실습용 학습 교재는 자연 현상에서 발생 되는 각종 운동 에너지가 전기 에너지로 변환되는 과정을 간략화시켜 시각적으로 표현함으로써, 상상력이 풍부한 유소년을 포함한 학습자들이 자연 과학에 대해 흥미를 갖고 탐구 의욕을 고취할 수 있게 한 고안이다.

하지만, 상기 제시한 종래의 실습용 학습 교재는 상기 실습용 학습 교재를 구성하고 있는 구성 부품이 일체화되어 최초 전기 에너지가 발생 되는 원리를 설명하기 어렵다는 문제점이 있었고, 스위치 동작에 따라 자동적으로 전기가 발생되는 구조로 이루어져 학생들이 전기 에너지의 발생 원리를 몸소 체험할 수 없다는 문제점이 있었다.

이에 본 고안은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하여, 전기 에너지가 발생 되는 과정을 학생들이 몸소 체험할 수 있도록 함으로써 전기 에너지의 발생 원리에 대한 학생들의 이해를 돕고, 동시에 상기 전기 에너지의 발생 원리를 이해한 학생들이 대체 에너지를 이용한 발전 원리에도 관심을 기울일 수 있도록 한 발전 원리 설명용 실험 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바의 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치는 베이스판과, 상기 베이스판의 수직 방향으로 뻗어나온 제 1 거치대와 제 2 거치대, 상기 제 1 거치대와 회전축에 의해 결합되어 상기 회전축을 중심으로 축선회될 수 있으면서, 일측 가장자리에 손잡이가 부착된 제 1 회전 원판, 상기 제 1 거치대에 장착됨과 동시에 상기 제 1 회전 원판의 둘레면을 감싸고 있는 벨트와 연결되어 상기 제 1 회전 원판이 축선회될 때마다 상기 제 1 회전 원판과 동시에 회전되어 직류 전원를 발생시킬 수 있는 제 1 직류 발전기, 및 상기 제 1 직류 발전기와 연결되어 상기 제 1 직류 발전기로부터 전달되는 직류 전원의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 1 램프를 구비한다. 또한, 상기 제 1 직류 발전기에는 제 1 직류 발전기로부터 전달된 전압을 고정된 레벨로 유지한 다음, 상기 고정된 레벨의 전압을 가진 전원을 휴대용 배터리로 전달할 수 있는 정전압 발생부가 갖추어지고, 상기 정전압 발생부에는 제 1 직류 발전기와 정전압 발생부를 거쳐 출력된 직류 전원을 충전할 수 있는 휴대용 배터리가 장착된다. 또, 상기 휴대용 배터리에는 휴대용 배터리에 저장된 전압을 가시적으로 표현할 수 있는 전압 표시부가 장착됨과 동시에 상기 휴대용 배터리에 저장된 전원에 의해 제 1 팬(fan)을 회전시킬 수 있는 제 1 구동 모터가 장착된다. 또, 상기 제 2 거치대에는 내부가 중공됨과 동시에 양끝단이 개방되고, 바깥 둘레면에 제 1 코일이 감긴 제 1 원통형 철심이 장착되고, 상기 제 1 원통형 철심에는 외부로부터 전달되는 역학적 에너지에 의해 상기 제 1 원통형 철심의 내측을 왕복하면서, 상기 제 1 코일에 유도 기전력을 발생시킬 수 있는 제 1 막대 자석이 갖추어질 수 있다. 또, 상기 제 2 거치대에는 평상시 제 1 막대 자석을 상기 제 2 거치대상에 거치시킬 수 있도록 'ㄴ'자 형상의 걸림구가 2개 이상 장착된다. 상기 제 1 코일의 양끝단에는 제 1 막대 자석과 제 1 코일이 감겨진 제 1 원통형 철심에 의해 발생된 전압의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 2 램프가 장착된다. 또, 상기 제 2 거치대에는 상기 제 1 팬이 설치된 제 1 구동 모터와 서로 마주봄과 더불어, 상기 회전되는 제 1 팬의 풍력에 의해 제 2 팬을 회전시킴으로써 직류 전원을 발생시키고, 상기 제 2 램프를 점등시킬 수 있는 제 2 직류 발전기가 장착된다. 이러한 구조로 이루어진 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치는 학생들에게 특정 방향을 가진 힘에 의해 전기 에너지가 발생되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있고, 상기 발전기에 의해 발생된 전기가 휴대용 배터리에 충전되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있다. 또한, 코일이 감겨진 원통형 철심과 상기 원통형 철심의 내부를 반복적으로 이동할 수 있는 막대 자석을 이용하여 최초 전기가 발생 되는 과정을 일목요연하게 설명할 수 있다는 장점이 있다. 또, 풍력과 같은 대체 에너지원에 의해 전기가 발생되는 과정을 가시적으로 보여줌으로써, 학습자들의 궁금증을 해소할 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 아이들의 상상력을 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다.

이러한 구조로 이루어진 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치는 학생들에게 특정 방향을 가진 힘에 의해 전기 에너지가 발생되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있고, 상기 발전기에 의해 발생 된 전기가 휴대용 배터리에 충전되는 원리를 일목요연하게 설명해 줄 수 있다.

또한, 코일이 감겨진 원통형 철심과 상기 원통형 철심의 내부를 반복적으로 이동하는 막대 자석을 이용하여 학생들이 최초 전기가 발생 되는 과정을 몸소 체험하도록 할 수 있다.

또, 풍력과 같은 대체 에너지원에 의해 전기가 발생되는 과정을 가시적으로 보여줌으로써, 학생들의 의문점을 해소할 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 아이들의 상상력을 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다.

도면 1은 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치를 설명하기 위한 개념도,

도면 2는 본 고안에 갖추어진 원통형 철심과 상기 원통형 철심을 감싸고 있는 코일이 제 2 거치대상에 고정된 구조를 설명하기 위한 상기 제 2 거치대의 종단면도,

도면 3은 본 고안에 갖추어진 전압 표시부의 제어 블록도,

도면 4은 본 고안에 갖추어진 상관 관계 실험부와 속도 측정 수단을 설명하기 위한 개념도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

1. 베이스판 3. 제 1 거치대

5. 제 2 거치대 7. 회전축

9. 손잡이 11. 제 1 회전 원판

13. 벨트 15. 제 1 직류 발전기

17. 제 1 램프 19. 휴대용 배터리

21. 정전압 발생부 23. 전압 표시부

25. 제 1 구동 모터 27. 제 1 코일

29. 제 1 원통형 철심 31. 제 1 막대 자석

33. 걸림구 35. 제 2 램프

37. 제 1 팬 39. 제 2 팬

41. 제 2 직류 발전기 43. 제 1 스위치

45. 제 2 스위치 47. 전압 측정 장치

49. 제 3 스위치 51. 제 4 스위치

53. 제 5 스위치 55. 제 6 스위치

57. A/D 컨버터 59. 제어부

61. LED 63. 먹스

65. 상관 관계 실험부 67. 제 2 구동 모터

69. 제 1 고정축 71. 제 1 연결암

73. 제 2 고정축 75. 제 2 연결암

77. 고정 브라켓 79. 제 2 코일

81. 제 2 원통형 철심 83. 제 3 고정축

85. 제 2 막대 자석 87. 전압 측정기

89. 가변 저항 91. 제 7 스위치

93. 지지 플레이트 95. 속도 측정 수단

97. 영구 자석 99. 자기 감지 센서

101. LCD 표시부

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 자세히 설명한다.

도면 1은 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치를 설명하기 위한 개념도이고, 도면 2는 본 고안에 갖추어진 원통형 철심과 상기 원통형 철심을 감싸고 있는 코일이 제 2 거치대상에 고정된 구조를 설명하기 위한 상기 제 2 거치대의 종단면도이며, 도면 3은 본 고안에 갖추어진 전압 표시부의 제어 블록도이다.

또한, 도면 4은 본 고안에 갖추어진 상관 관계 실험부와 속도 측정 수단을 설명하기 위한 개념도이다.

이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치는 베이스판(1)과, 상기 베이스판(1)의 수직 방향으로 뻗어나온 제 1 거치대(3)와 제 2 거치대(5), 상기 제 1 거치대(3)와 회전축(7)에 의해 결합되어 상기 회전축(7)을 중심으로 축선회될 수 있으면서, 일측 가장자리에 손잡이(9)가 부착된 제 1 회전 원판(11), 상기 제 1 거치대(3)에 장착됨과 동시에 상기 제 1 회전 원판(11)의 둘레면을 감싸고 있는 벨트(13)와 연결되어 상기 제 1 회전 원판(11)이 축선회될 때마다 상기 제 1 회전 원판(11)과 동시에 회전되어 직류 전원를 발생시킬 수 있는 제 1 직류 발전기(15), 및 상기 제 1 직류 발전기(15)와 연결되어 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 전달되는 직류 전원의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 1 램프(17)를 구비한다.

또한, 상기 제 1 직류 발전기(15)에는 제 1 직류 발전기(15)로부터 전달되는 전압을 일정 수준으로 고정한 다음, 휴대용 배터리(19)로 전달할 수 있는 정전압 발생부(21)가 갖추어지고, 상기 정전압 발생부(21)에는 제 1 직류 발전기(15)와 정전압 발생부(21)를 거쳐 출력된 직류 전원을 충전할 수 있는 휴대용 배터리(19)가 장착된다.

또, 상기 휴대용 배터리(19)에는 휴대용 배터리(19)에 저장된 전압을 가시적으로 표현할 수 있는 전압 표시부(23)가 장착됨과 동시에 상기 휴대용 배터리(19)에 저장된 전원에 의해 제 1 팬(fan)(37)을 회전시킬 수 있는 제 1 구동 모터(25)가 장착된다.

또, 상기 제 2 거치대(5)에는 도면 1과 도면 2에 도시한 바와 같이, 내부가 중공됨과 동시에 양끝단이 개방되고, 바깥 둘레면에 제 1 코일(27)이 권취된 제 1 원통형 철심(29)이 장착되고, 상기 제 1 원통형 철심(29)에는 외부로부터 전달되는 역학적 에너지에 의해 상기 제 1 원통형 철심(29)의 내측을 왕복하면서, 상기 제 1 코일(27)에 유도 기전력을 발생시킬 수 있는 제 1 막대 자석(31)이 갖추어진다.

또, 상기 제 2 거치대(5)에는 평상시 제 1 막대 자석(31)을 상기 제 2 거치대(5)상에 거치시킬 수 있도록 'ㄴ'자 형상의 걸림구(33)가 2개 이상 장착된다.

그리고, 상기 제 1 코일(27)의 양끝단에는 제 1 막대 자석(31)과 제 1 코일(27)이 감겨진 제 1 원통형 철심(29)에 의해 발생된 전압의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 2 램프(35)가 장착된다.

또, 상기 제 2 거치대(5)에는 상기 제 1 팬(37)이 설치된 제 1 구동 모터(25)와 서로 마주봄과 더불어, 상기 회전되는 제 1 팬(37)의 풍력에 의해 제 2 팬(39)을 회전시켜 직류 전원을 발생시킬 수 있고, 상기 제 2 램프(35)를 점등시킬 수 있는 제 2 직류 발전기(41)가 장착된다.

상기 제 2 직류 발전기(41)는 통상적으로 풍력에 따라 다르지만 대략 DC 0.7V 내지 3V 정도의 저전압을 출력할 수 있다.

또, 상기 제 1 직류 발전기(15)와 제 1 램프(17)를 연결하는 전원선에는 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 전원을 제 1 램프(17)에 선택적으로 공급할 수 있도록 제 1 스위치(43)가 장착되고, 상기 제 1 직류 발전기(15)와 정전압 발생부(21) 사이에도 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 전원을 정전압 발생부(21)에 선택적으로 공급할 수 있도록 제 2 스위치(45)가 장착된다.

또, 상기 제 1 직류 발전기(15)와 제 2 스위치(45) 사이에는 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 전압을 실시간으로부터 측정할 수 있도록 전압 측정 장치(47)가 병렬 연결됨이 바람직하다.

또, 상기 휴대용 배터리(19)와 전압 표시부(23)의 사이 그리고, 휴대용 배터리(19)와 제 1 구동 모터(25)의 사이에는 상기 휴대용 배터리(19)로부터 출력되는 전원을 선택적으로 공급하거나 차단할 수 있도록 제 3 스위치(49)와 제 4 스위치(51)가 각각 설치된다.

또, 상기 제 2 직류 발전기(41)와 제 2 램프(35)의 사이 그리고, 제 1 코일(27)의 양끝단과 제 2 램프(35)의 사이에는 제 2 직류 발전기(41) 또는 제 1 원통형 철심(29)에 감겨진 제 1 코일(27)로부터 출력되는 전원을 선택적으로 공급하거나 차단할 수 있도록 제 5 스위치(53)와 제 6 스위치(55)가 각각 설치된다.

이러한 구조로 이루어진 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치가 동작되는 과정을 도면 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 사용자는 전기가 발생 되는 원리를 설명하기 위해 제 2 스위치(45)를 개방하고, 제 1 스위치(43)를 폐쇄한 상태에서 제 1 원판(11)에 부착된 손잡이(9)를 잡고 상기 제 1 원판(11)을 회전축(7)을 중심으로 회전시킨다.

이때, 상기 제 1 원판(11)이 회전됨에 따라 상기 제 1 원판(11)과 연결된 벨트(13)는 상기 벨트(13)와 연결된 제 1 직류 발전기(15)에 회전 동력을 제공하고, 상기 제 1 직류 발전기(15)는 상기 제 1 스위치(43)를 통해 제 1 램프(17)에 전원을 공급하게 된다.

이때, 상기 제 1 직류 발전기(15)에 의해 소정의 전원이 공급된 제 1 램프(17)는 제 1 원판(11)의 회전 속도에 따라 일정 조도의 빛을 점등하게 되어 사용자는 역학적 에너지에 의해 전기가 발생 되는 원리를 설명할 수 있다.

또한, 사용자는 제 1 직류 발전기(15)로부터 발생된 전원이 휴대용 배터리(19)에 충전되는 과정을 설명하기 위해 제 2 스위치(45)를 폐쇄하고 모든 스위치를 개방한다.

다음, 사용자는 손잡이(9)를 파지하고, 제 1 원판(11)을 돌려 제 1 직류 발전기(15)로부터 소정의 전원이 출력될 수 있도록 한다.

이때, 상기 정전압 발생부(21)는 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 불규칙한 전압을 일정 레벨의 전압으로 변경하여 상기 휴대용 배터리(19)로 전송할 수 있고, 상기 사용자는 제 3 스위치(49)를 폐쇄하고, 모든 스위치를 개방하여 전압 표시부(23)를 동작시킴으로써 휴대용 배터리(19)에 저장된 전압 수치를 실시간으로 체크 할 수 있다.

한편, 사용자는 풍력에 의해 전기가 발생 되는 원리를 설명하기 위해 제 4 스위치(51)와 제 5 스위치(53)를 폐쇄하고 모든 스위치를 개방한다.

이때, 상기 제 4 스위치(51)가 폐쇄됨에 따라 상기 제 1 팬(37)이 장착된 제 1 구동 모터(25)는 휴대용 배터리(19)의 전원에 의해서 제 1 팬(37)을 회전시키고, 상기 제 1 팬(37)이 장착된 제 1 구동 모터(25)와 마주보고 있는 제 2 직류 발전기(41)는 상기 제 1 팬(37)에 의해 회전되는 제 2 팬(39)에 의해 직류 전원을 발생시키게 된다.

이때, 상기 제 5 스위치(53)는 제 2 직류 발전기(41)로부터 전달된 전원을 이용하여 제 2 램프(35)를 점등시킬 수 있다.

한편, 상기 제 2 거치대(5)에 설치됨과 동시에 바깥 둘레면에 제 1 코일(27)이 감겨진 제 1 원통형 철심(29)에서 유도 기전력이 발생되는 과정을 도면 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 사용자는 제 1 코일(27)에서 발생되는 유도 기전력을 확인하기 위해 제 6 스위치(55)를 폐쇄하고 모든 스위치는 개방한다.

다음, 상기 제 1 코일(27)에 유도 기전력이 발생 될 수 있도록 제 1 원통형 철심(29)의 내측으로 제 1 막대 자석(31)을 왕복 운동시킨다.

이때, 상기 제 1 막대 자석(31)은 제 1 코일(27) 주변의 자속을 변화시켜 제 1 코일(27)에 유도 기전력이 발생될 수 있도록 하고, 상기 유도 기전력이 발생된 제 1 코일(27)은 제 2 램프(35)에 전원을 공급시켜 상기 제 2 램프(35)가 제 1 코일(27)로부터 발생되는 유도 기전력의 세기에 따라 발광 될 수 있도록 한다.

한편, 상기 전압 표시부(23)는 도면 3에 도시한 바와 같이, 상기 휴대용 배터리(19)로부터 출력되는 전압을 인가받아 0 ~ 255 범위의 디지털 값으로 변환시킬 수 있는 A/D 컨버터(57)와, 상기 A/D 컨버터(57)로부터 입력된 디지털값의 범위에 따라 특정 코드의 제어 신호를 발생할 수 있는 제어부(59), 및 색상이 각기 다른 4개의 LED(61a,61b,61c,61d)연결되어 제어부(59)로부터 입력되는 특정 코드에 따라 상기 4개의 LED(61a,61b,61c,61d)를 선택적으로 점등시킬 수 있는 먹스(MUX)(63)로 이루어진다.

상기와 같은 구조로 이루어진 상기 전압 표시부(23)가 동작 되는 과정을 도면 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 A/D 컨버터(57)는 휴대용 배터리(19)로부터 출력되는 아날로그 형태의 전압을 0 ~ 255 범위의 디지털 값으로 변환한 다음, 상기 변환된 디지털 값을 제어부(59)로 전송한다.

다음, 상기 제어부(59)는 A/D 컨버터(57)로부터 전달된 디지털 값이 0 ~ 55일 때, 상기 먹스(MUX)(63)에 갖추어진 셀렉터핀(A0,A1)에 00 코드를 입력하고, 55 ~ 100일 때에는 상기 셀렉터핀(A0,A1)에 01 코드를 입력한다.

또한, 상기 제어부(59)는 A/D 컨버터(57)로부터 전달된 디지털 값이 100 ~ 200일 경우 상기 셀렉터핀(A0,A1)에 10을 입력하고, 200 ~ 255일 때에는 상기 셀렉터핀(A0,A1)에 11을 입력한다.

이때, 상기 제시한 한정된 수치는 단지 설명을 위한 것으로 본 고안의 범위를 제한하는 것이 아님이 이해되어야 한다.

한편, 상기 먹스(63)는 셀렉터핀(A0,A1)에 입력된 코드가 '00' 일 때, 먹스(63)에 갖추어진 X0핀을 접지에 연결하여 상기 X0핀과 연결된 제 1 LED(61a)가 점등될 수 있도록 한다.

또한, 상기 먹스(63)는 셀렉터핀에 입력된 코드가 '01' 일 때, 먹스(63)에 갖추어진 X1핀을 접지에 연결하여 상기 X1핀과 연결된 제 2 LED(61b)가 점등될 수 있도록 한다.

또, 상기 먹스(63)는 셀렉터 핀에 입력된 코드가 '10' 일 때, 먹스(63)에 갖추어진 X2핀을 접지에 연결하여 상기 X2핀과 연결된 제 3 LED(61c)가 점등될 수 있도록 한다.

또, 상기 먹스(63)는 셀렉터 핀에 입력된 코드가 '11' 일 때, 먹스(63)에 갖추어진 X3핀을 접지에 연결하여 상기 X3핀과 연결된 제 4 LED(61d)가 점등될 수 있도록 한다.

또, 상기 휴대용 배터리(19)에는 원통형 철심에 감긴 코일의 권선수와 상기 원통형 철심의 내측을 왕복하는 막대 자석의 이동 속도가 상기 코일에 발생되는 유도 기전력에 어떠한 영향을 미치는지 알아볼 수 있는 상관 관계 실험부(65)가 장착되는바, 상기 상관 관계 실험부(65)를 도면 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 상관 관계 실험부(65)는 도면 4에 도시한 바와 같이, 휴대용 배터리(19)로부터 공급되는 전원에 의해 제 2 회전 원판(66)을 회전시킬 수 있는 제 2 구동 모터(67)와, 일단이 상기 제 2 회전 원판(66)의 가장자리에 장착된 제 1 고정축(69)에 의해 연결되어 상기 제 2 회전 원판(66)이 특정 방향으로 회전될 때마다 상기 제 1 고정축(69)에 연결된 상태로 축 선회되면서 제 1 연결암(71)의 타단 위치를 변경할 수 있는 제 1 연결암(71) 및, 일단이 상기 제 1 연결암(71)의 타단과 제 2 고정축(73)에 의해 연결되어 제 1 연결암(71)의 타단이 제 2 구동 모터(67)에 의해 위치 변경될 때 마다 제 2 고정축(73)을 중심으로 축선회되면서, 직선 운동할 수 있는 제 2 연결암(75)을 구비한다.

또한, 상기 제 2 거치대(5)에는 일측 둘레면에 고정 브라켓(77)을 갖추어 상기 제 2 거치대(5)에 고정될 수 있고, 양끝단이 개구되어 있으며, 외부 둘레면에 제 2 코일(79)이 권취된 제 2 원통형 철심(81)이 갖추어지고, 상기 제 2 연결암(75)의 타단에는 일정한 자기력을 영구적으로 제공할 수 있으면서, 상기 제 2 연결암(75)의 타단과 제 3 고정축(83)에 의해 연결되어 상기 제 2 원통형 철심(81)의 내측에서 직선 운동함에 따라 상기 제 2 원통형 철심(81)을 둘러싸고 있는 제 2 코일(79)에 유도 기전력을 발생시킬 수 있는 제 2 막대 자석(85)이 장착된다.

또, 상기 제 2 원통형 철심(81)의 둘레면을 감싸고 있는 제 2 코일(79)의 양끝단에는 상기 제 2 코일(79)로부터 전달되는 전압을 측정할 수 있도록 전압 측정기(87)가 장착될 수 있고, 상기 제 2 구동 모터(67)와 휴대용 배터리(19)를 연결하는 '+' 전원선에는 상기 제 2 구동 모터(67)의 속도를 일정하게 가감할 수 있도록 가변 저항(89)이 장착된다.

또, 상기 제 2 구동 모터(67)와 휴대용 배터리(19)를 연결하는 '-' 전원선에는 상기 휴대용 배터리(19)로부터 제 2 구동 모터(67)로 전달되는 전원을 차단시킬 수 있도록 제 7 스위치(91)가 장착된다.

또, 상기 베이스판(1)에는 상기 제 2 연결암(75)의 직선 운동을 보다 향상시킬 수 있도록 일측면이 베이스판(1)에 고정됨과 동시에 상기 제 2 연결암(75)이 관통될 수 있는 지지 플레이트(93)가 장착될 수 있다.

이러한 구조로 이루어진 상기 상관 관계 실험부(65)가 동작 되는 과정을 도면 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 제 7 스위치(91)가 폐쇄되어 휴대용 배터리(19)의 전원이 제 2 구동 모터(67)로 전달되면, 상기 제 2 구동 모터(67)는 제 2 회전 원판(66)을 특정 방향으로 회전시키게 된다.

이때, 제 1 고정축(69)에 의해 상기 제 2 회전 원판(66)과 연결된 제 1 연결암(71)의 일단은 상기 제 2 회전 원판(66)을 따라 이동하면서, 상기 제 1 고정축(69)을 중심으로 선회되고, 상기 제 1 연결암(71)의 타단과 제 2 고정축(73)에 의해 연결된 제 2 연결암(75)을 당기거나 밀어낼 수 있다.

이 때, 상기 제 2 연결암(75)은 제 1 고정축(69)과 제 2 고정축(73), 제 1 연결암(71), 및 지지 플레이트(93)에 의해 직선 운동할 수 있다.

한편, 상기 제 2 연결암(75)은 제 2 구동 모터(67)에 의해 직선 방향으로 밀거나 당겨짐에 따라 상기 제 2 연결암(75)의 타단과 연결되면서, 제 2 원통형 철심(81)의 내측으로 삽입된 제 2 막대 자석(85)을 제 2 원통형 철심(81)의 길이 방향으로 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 제 2 원통형 철심(81)에 감겨진 제 2 코일(79)은 제 2 원통형 철심(81)의 내측을 왕복하는 제 2 막대 자석(85)이 상기 제 2 원통형 철심(81)의 내측을 왕복할 때마다 일정 전압을 가진 유도 기전력을 발생할 수 있고, 제 2 코일(79)의 양끝단과 연결된 전압 측정기(87)는 상기 제 2 코일(79)의 유도 기전력을 실시간으로 표시할 수 있다.

한편, 사용자는 상기 제 2 구동 모터(67)와 연결된 가변 저항(89)을 조절함으로써 제 2 구동 모터(67)의 회전 속도를 변경시킬 수 있고, 상기 회전 속도가 변경된 제 2 구동 모터(67)는 제 2 원통형 철심(81)의 내측을 왕복하는 제 2 막대 자석(85)의 속도를 변경시킬 수 있다.

따라서, 사용자는 가변 저항(89)의 저항값을 바꾸어주는 것만으로 제 2 막대 자석(85)의 왕복 속도를 변경할 수 있으므로 간단하게 상기 제 2 원통형 철심(81)의 내측을 왕복하는 제 2 막대 자석(85)의 속도와 제 2 원통형 철심(81)을 감싸고 있는 제 2 코일(79)에 흐르는 유도 기전력의 상관 관계를 학생들에게 가시적으로 설명해 줄 수 있다.

또한, 상기 제 2 원통형 철심(81)에 감겨진 제 2 코일(79)의 권선수를 선택적으로 바꿀 수 있어, 제 2 원통형 철심(81)을 감싸는 제 2 코일(79)의 권선수와 제 2 코일(79)에 흐르는 유도 기전력의 상관 관계를 가시적으로 표현할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 상기 제 2 구동 모터(67)와 연결된 제 2 회전 원판(66)에는 상기 제 2 회전 원판(66)의 회전 속도를 실시간으로 측정할 수 있는 속도 측정 수단(95)이 장착되는바, 상기 속도 측정 수단(95)을 도면 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

상기 속도 측정 수단(95)은 도면 4에 도시한 바와 같이, 상기 제 2 회전 원판(66)의 가장자리에 부착된 영구 자석(97)과, 상기 영구 자석(97)과 마주 접할 수 있는 제 2 구동 모터(67)상에 장착되어 상기 영구 자석(97)과 마주칠 때마다 일정 레벨의 펄스를 발생할 수 있는 자기 감지 센서(99)를 구비한다.

또한, 상기 제어부(59)는 일정 시간동안 자기 감지 센서(99)로부터 입력되는 펄스의 개수를 카운트함으로써, 상기 제 2 구동 모터(67)와 결합된 제 2 구동 모터(67)의 속도를 연산할 수 있다.

또, 상기 제어부(59)에는 부가적으로 도면 4에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(59)로부터 연산된 제 2 구동 모터(67)의 속도를 표시할 수 있는 LCD 표시부(101)가 장착될 수 있다.

이러한 구조로 이루어진 속도 측정 수단(95)이 동작 되는 과정을 도면 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 영구 자석(97)이 부착된 제 2 회전 원판(66)이 회전되면, 상기 제 2 회전 원판(66)이 한 바퀴 돌 때마다 상기 영구 자석(97)은 자기 감지 센서(99)와 한번 마주 칠 수 있게 된다.

따라서, 상기 자기 감지 센서(99)는 제 2 회전 원판(66)이 한 바퀴 돌 때마다 제어부(59)에 한 개의 펄스를 전달할 수 있다.

이때, 상기 제어부(59)는 일정 시간 동안 상기 펄스의 개수를 세어 상기 제 2 회전 원판(66)의 회전 속도를 구하고, 상기 회전 속도를 다시 LCD 표시부(101)로 전송하여 사용자가 항시 상기 LCD 표시부(101)를 통해 제 2 구동 모터(67)의 회전 속도를 확인할 수 있도록 한다.

이러한 구조로 이루어진 본 고안에 따른 발전 원리 설명용 실험 장치는 학생들에게 특정 방향을 가진 힘에 의해 전기 에너지가 발생되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있고, 상기 발전기에 의해 발생된 전기가 휴대용 배터리(19)에 충전되는 원리를 가시적으로 설명해 줄 수 있다.

또한, 코일이 감겨진 원통형 철심과 상기 원통형 철심의 내부를 반복적으로 이동할 수 있는 막대 자석을 이용하여 최초 전기가 발생 되는 과정을 일목요연하게 설명할 수 있고, 코일의 권선수와 코일의 주변을 왕복하는 자기 변화 속도가 유도 기전력에 어떠한 영향을 끼칠 수 있는지를 설명하기에 용이하다는 장점이 있다.

또, 풍력과 같은 대체 에너지원에 의해 전기가 발생되는 과정을 가시적으로 보여줌으로써, 학습자들의 궁금증을 해소할 수 있다는 장점이 있을 뿐만 아니라, 아이들의 상상력을 극대화시킬 수 있다는 장점이 있다.

Claims (2)

1. 베이스판(1)과;

   상기 베이스판(1)의 수직 방향으로 뻗어나온 제 1 거치대(3)와 제 2 거치대(5);

   상기 제 1 거치대(3)와 회전축(7)에 의해 결합되어 상기 회전축(7)을 중심으로 축선회될 수 있으면서, 일측 가장자리에 손잡이(9)가 부착된 제 1 회전 원판(11);

   상기 제 1 거치대(3)에 장착됨과 동시에 상기 제 1 회전 원판(11)의 둘레면을 감싸고 있는 벨트(13)와 연결되어 상기 제 1 회전 원판(11)이 축선회될 때마다 상기 제 1 회전 원판(11)과 동시에 회전되어 직류 전원을 발생시킬 수 있는 제 1 직류 발전기(15);

   상기 제 1 직류 발전기(15)와 연결되어 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 전달되는 직류 전원의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 1 램프(17);

   상기 제 1 직류 발전기(15)에 장착되어 제 1 직류 발전기(15)로부터 전달되는 전압을 일정 수준으로 고정한 다음, 휴대용 배터리(19)로 전달하는 정전압 발생부(21);

   상기 정전압 발생부(21)에 장착되어 제 1 직류 발전기(15)와 정전압 발생부(21)를 거쳐 출력된 직류 전원을 충전할 수 있는 휴대용 배터리(19);

   상기 휴대용 배터리(19)에 장착되어 휴대용 배터리(19)에 저장된 전압을 가시적으로 표현할 수 있는 전압 표시부(23);

   상기 휴대용 배터리(19)에 저장된 전원에 의해 제 1 팬(37)을 회전시킬 수 있는 제 1 구동 모터(25);

   상기 제 2 거치대(5)에 장착되면서, 내부가 중공됨과 동시에 양끝단이 개방되고, 바깥 둘레면에 제 1 코일(27)이 권취된 제 1 원통형 철심(29);

   외부로부터 전달되는 역학적 에너지에 의해 상기 제 1 원통형 철심(29)의 내측을 왕복하면서, 상기 제 1 코일(27)에 유도 기전력을 발생시킬 수 있는 제 1 막대 자석(31);

   상기 제 2 거치대(5)에 장착되어 제 1 막대 자석(31)을 상기 제 2 거치대(5)상에 거치시킬 수 있는 'ㄴ'자 형상의 걸림구(33);

   상기 제 1 코일(27)의 양끝단에 장착되어 제 1 막대 자석(31)과 제 1 코일(27)이 감겨진 제 1 원통형 철심(29)에 의해 발생된 전압의 세기에 따라 일정 조도의 빛을 발광하는 제 2 램프(35);

   상기 제 1 팬(37)이 설치된 제 1 구동 모터(25)와 서로 마주봄과 더불어, 상기 회전되는 제 1 팬(37)의 풍력에 의해 제 2 팬(39)을 회전시켜 직류 전원을 발생시키고, 상기 제 2 램프(35)를 점등시킬 수 있는 제 2 직류 발전기(41)로 이루어지고,

   상기 제 1 직류 발전기(15)와 제 1 램프(17)를 연결하는 전원선에는 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 전원을 제 1 램프(17)에 선택적으로 공급할 수 있는 제 1 스위치(43)가 장착되고,

   상기 제 1 직류 발전기(15)와 정전압 발생부(21) 사이에는 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 전원을 정전압 발생부(21)에 선택적으로 공급할 수 있도록 제 2 스위치(45)가 장착되며,

   상기 제 1 직류 발전기(15)와 제 2 스위치(45) 사이에는 상기 제 1 직류 발전기(15)로부터 출력되는 전압을 실시간으로 측정할 수 있도록 전압 측정 장치(47)가 병렬 연결되고,

   상기 휴대용 배터리(19)와 전압 표시부(23)의 사이 그리고, 휴대용 배터리(19)와 제 1 구동 모터(25)의 사이에는 상기 휴대용 배터리(19)로부터 출력되는 전원을 선택적으로 공급하거나 차단할 수 있도록 제 3 스위치(49)와 제 4 스위치(51)가 설치되며,

   상기 제 2 직류 발전기(41)와 제 2 램프(35)의 사이 그리고, 제 1 코일(27)의 양끝단과 제 2 램프(35)의 사이에는 제 2 직류 발전기(41) 또는 제 1 원통형 철심(29)에 감겨진 제 1 코일(27)로부터 출력되는 전원을 선택적으로 공급하거나 차단할 수 있도록 제 5 스위치(53)와 제 6 스위치(55)가 각각 설치되고,

   상기 전압 표시부(23)는 상기 휴대용 배터리(19)로부터 출력되는 전압을 인가받아 0 ~ 255 범위의 디지털 값으로 변환시킬 수 있는 A/D 컨버터(57)와,

   상기 A/D 컨버터(57)로부터 입력된 디지털값의 범위에 따라 특정 코드의 제어 신호를 발생할 수 있는 제어부(59),

   및 색상이 각기 다른 4개의 LED(61a,61b,61c,61d)연결되어 제어부(59)로부터 입력되는 특정 코드에 따라 상기 4개의 LED(61a,61b,61c,61d)를 선택적으로 점등시킬 수 있는 먹스(MUX)(63)로 이루어지며,

   상기 휴대용 배터리(19)에는 원통형 철심에 감긴 코일의 권선수와 상기 원통형 철심의 내측을 왕복하는 막대 자석의 이동 속도가 코일에 발생되는 유도 기전력에 어떠한 영향을 미치는지 알아볼 수 있는 상관 관계 실험부(65)가 장착되는 것을 특징으로 하는 발전 원리 설명용 실험 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 상관 관계 실험부(65)는 휴대용 배터리(19)로부터 공급되는 전원에 의해 제 2 회전 원판(66)을 회전시킬 수 있는 제 2 구동 모터(67)와;

   일단이 상기 제 2 회전 원판(66)의 가장자리에 장착된 제 1 고정축(69)에 의해 연결되어 상기 제 2 회전 원판(66)이 특정 방향으로 회전될 때마다 상기 제 1 고정축(69)에 연결된 상태로 축 선회되면서 제 1 연결암(71)의 타단 위치를 변경할 수 있는 제 1 연결암(71);

   일단이 상기 제 1 연결암(71)의 타단과 제 2 고정축(73)에 의해 연결되어 제 1 연결암(71)의 타단이 제 2 구동 모터(67)에 의해 위치 변경될 때마다 제 2 고정축(73)을 중심으로 축선회되면서, 직선 운동할 수 있는 제 2 연결암(75);

   일측 둘레면에 고정 브라켓(77)을 갖추어 상기 제 2 거치대(5)에 고정될 수 있고, 양끝단이 개구되어 있으며, 외부 둘레면에 제 2 코일(79)이 권취된 제 2 원통형 철심(81);

   일정한 자기력을 영구적으로 제공할 수 있으면서, 상기 제 2 연결암(75)의 타단과 제 3 고정축(83)에 의해 연결되어 상기 제 2 원통형 철심(81)의 내측에서 직선 운동함에 따라 상기 제 2 원통형 철심(81)을 둘러싸고 있는 제 2 코일(79)에 유도 기전력을 발생시킬 수 있는 제 2 막대 자석(85);

   상기 제 2 원통형 철심(81)의 둘레면을 감싸고 있는 제 2 코일(79)의 양끝단에 장착되어 상기 제 2 코일(79)로부터 전달되는 전압을 측정할 수 있는 전압 측정기(87);

   상기 제 2 구동 모터(67)와 휴대용 배터리(19)를 연결하는 '+' 전원선에 장착되어 상기 제 2 구동 모터(67)의 속도를 일정하게 가감할 수 있는 가변 저항(89);

   상기 제 2 구동 모터(67)와 휴대용 배터리(19)를 연결하는 '-' 전원선에 장착되어 상기 휴대용 배터리(19)로부터 제 2 구동 모터(67)로 전달되는 전원을 차단시킬 수 있는 제 7 스위치(91);

   상기 베이스판(1)에 장착되어 상기 제 2 연결암(75)의 직선 운동을 보다 향상시킬 수 있도록 일측면이 베이스판(1)에 고정됨과 동시에 상기 제 2 연결암(75)이 관통될 수 있는 지지 플레이트(93)로 이루어지고,

   상기 제 2 구동 모터(67)와 연결된 제 2 회전 원판(66)에는 상기 제 2 회전 원판(66)의 회전 속도를 실시간으로 측정할 수 있는 속도 측정 수단(95)이 장착되며,

   상기 속도 측정 수단(95)은 제 2 회전 원판(66)의 가장자리에 부착된 영구 자석(97)과,

   상기 영구 자석(97)과 마주 접할 수 있는 제 2 구동 모터(67)상에 장착되어 상기 영구 자석(97)과 마주칠 때마다 일정 레벨의 펄스를 발생할 수 있는 자기 감지 센서(99)를 구비하고,

   상기 제어부(59)는 일정 시간동안 자기 감지 센서(99)로부터 입력되는 펄스의 개수를 카운트함으로써, 상기 제 2 구동 모터(67)와 결합된 제 2 구동 모터(67)의 속도를 연산할 수 있으며,

   상기 제어부(59)에는 제어부(59)로부터 연산된 제 2 구동 모터(67)의 속도를 표시할 수 있는 LCD 표시부(101)가 장착되는 것을 특징으로 하는 발전 원리 설명용 실험 장치.