개념 한 쪽
전기공사기사 백열전구 — 필라멘트·동정곡선·전압과 광속
백열전구 세트는 전구의 구조와 특성 곡선, 전압 변화가 광속에 미치는 영향, 그리고 전구를 몇 개 설치할지 계산하는 광속법을 함께 묻는다. 필라멘트는 고유저항이 크고 융해점이 높으며 점화온도에서 주위 기체와 화합하지 않고 선팽창이 적은 재료여야 하며 텅스텐이 대표적이다. 동정 곡선은 점등 후 시간에 따른 전류·광속·효율의 변화를 나타내고 전압은 일정 조건이라 요소에서 빠진다. 광속은 전압의 3.4제곱에 비례하므로 전압이 10% 떨어지면 광속은 약 30% 줄어든다.
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뜻
백열전구는 필라멘트에 전류를 흘려 가열하고 그 열복사로 빛을 낸다. 필라멘트 재료의 구비조건은 고유저항이 클 것, 융해점이 높을 것, 점화온도에서 주위 기체와 화합하지 않을 것, 선팽창 계수가 적을 것이다. 고유저항이 커야 짧은 선으로 큰 저항을 얻어 발광에 유리하고, 융해점이 높아야 고온에서 녹지 않으며, 화합성이 없어야 수명이 길고, 선팽창이 적어야 켜고 끌 때 변형되지 않는다. "고유저항이 적을 것"처럼 조건을 뒤집은 선지가 단골 함정이다.
동정 곡선은 전구를 켠 뒤 시간이 지나면서 전류·광속·효율이 어떻게 변하는지를 그린 곡선이다. 점등 순간에는 필라멘트가 차가워 저항이 작아 큰 돌입전류가 흐르고, 가열되면서 전류가 줄어 안정되며 광속과 효율도 함께 변한다. 전압은 정격으로 일정하게 유지하는 조건이므로 동정 곡선을 결정하는 요소에 들어가지 않는다.
전압과 광속의 관계는 지수 법칙으로 묻는다. 백열전구의 광속은 전압의 3.4제곱에 비례하므로 전압이 10% 저하하면 전압은 0.9배가 되고 광속은 0.9의 3.4제곱, 곧 약 0.7배가 된다. 따라서 감소율은 100에서 70을 뺀 약 30%다. 지수가 크기 때문에 전압이 조금만 변해도 광속은 크게 흔들린다.
광도와 광속의 환산도 이 세트에 나온다. 전등 효율 14lm/W인 100W 전구의 광속은 14×100=1400lm이고, 구면광도는 이를 4π로 나눈 1400/(4×3.14)≈111cd다. 평균 수평광도 200cd와 구면 확산율 0.8이 주어지면 구면광도는 0.8×200=160cd, 전광속은 4π×160≈2009lm다. 전구 시험 항목은 구조·초특성·동정특성이며, 투광 시험은 전구 단품이 아니라 등기구에 적용하는 항목이다.
예제
출제 패턴은 네 가지다. ① 재료 조건 판단 — 필라멘트 구비조건 중 "고유저항이 적을 것"을 골라내는 뒤집기 문제가 반복된다. ② 특성 곡선 — 동정 곡선의 구성 요소로 전류·광속·효율을 고르고 전압이 든 선지는 소거한다. ③ 전압 변화 — 전압 10% 저하에서 0.9^3.4≈0.7을 적용해 감소율 약 30%를 구한다. ④ 광속법 — 폭 10m, 길이 20m 식당에 1000lm 전구로 평균조도 100lx를 만들려면 N=(100×200×1.5)/(1000×0.5)=60개다. 여기서 감광보상률 1.5는 등 수를 늘리는 방향인 분자에 놓는다. ⑤ 할로겐 판별 — "고휘도·적색 성분 많음·흑화 거의 없음"이면 할로겐 전구다.
자주 묻는 물음
- 백열전구 필라멘트의 구비조건은 무엇인가요?
- 고유저항이 클 것, 융해점이 높을 것, 점화온도에서 주위 기체와 화합하지 않을 것, 선팽창 계수가 적을 것입니다. 고유저항이 커야 짧은 선으로 큰 저항을 얻어 발광에 유리하며, 대표 재료는 텅스텐입니다.
- 동정 곡선은 무엇을 나타내나요?
- 점등 후 시간이 지남에 따른 전류·광속·효율의 변화를 나타냅니다. 전압은 정격으로 일정하게 유지하는 조건이므로 동정 곡선의 구성 요소에 들어가지 않습니다.
- 전압이 10% 저하하면 백열전구의 광속은 어떻게 되나요?
- 광속은 전압의 3.4제곱에 비례하므로 0.9^3.4≈0.7, 즉 광속이 약 70%로 줄어 감소율은 약 30%입니다. 전압 저하율 10%를 그대로 답으로 고르지 않도록 주의합니다.
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