[전자기사 필기] 17년 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

영구자석 재료는 잔류자속밀도와 보자력이 모두 커야 한다.
잔류자속밀도가 커야 강한 자속을 내고, 보자력이 커야 외부 자계에 의해 쉽게 자화가 지워지지 않는다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
잔류자속밀도는 크고 보자력은 작은 보기는 틀리다. 보자력이 작으면 쉽게 자화가 지워져 영구자석으로 쓸 수 없다.
잔류자속밀도는 작고 보자력은 큰 보기는 틀리다. 남는 자속이 약해 자석으로서 힘이 약하다.
둘 다 작은 보기는 틀리다. 자속도 약하고 자화 유지도 못 한다.

B-H 곡선이 계단처럼 변하는 현상은 바크하우젠 효과이다.
자성체 내부의 자벽이 자계 변화에 따라 불연속적으로 이동하고 자구가 단계적으로 반전하기 때문에 자화가 계단적으로 변한다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
퀴리점은 강자성이 상자성으로 바뀌는 온도이다.
자왜현상은 자화에 따라 물체의 치수가 변하는 현상이다.
Magnetic after effect(자기 여효)는 자계가 변한 뒤 자화가 시간 지연을 두고 서서히 변하는 현상이다.

구도체가 가질 수 있는 최대 전하는 표면 전계가 절연내력과 같아질 때의 전하 $Q=4\pi\varepsilon_0a^2E_{\max}$이다.
$Q=4\pi\varepsilon_0a^2E=1.113\times10^{-10}\times(0.06)^2\times5\times10^6$
$\approx2\times10^{-6}\,\mathrm{C}$
구 표면 전계가 절연내력에 이르면 공기가 절연파괴되므로 이 값이 최대이다.
나머지 보기는 계산값과 다르다.
$1\times10^{-5}$ 보기는 계산값과 다르다.
$1\times10^{-6}$ 보기는 계산값과 다르다.
$2\times10^{-5}$ 보기는 계산값과 다르다.

영상법(method of images)에서 완전 도체 평면에 대한 영상은 평면을 기준으로 대칭 위치에 놓이며, 전하와 전류 모두 부호가 반대로 나타난다. 완전 도체 평면의 표면은 등전위이고 전류가 흘러나갈 수 없으므로, 원래 전하 +Q에 대한 영상 전하는 -Q이고, 원래 전류 +I에 대한 영상 전류는 -I이다. 이를 통해 경계 조건(도체 평면에서 전위는 일정하고 법선 방향 전류는 0)을 만족할 수 있다.

각속도는 $1.5\times10^{8}\,\mathrm{rad/s}$ 이다.
고유임피던스 $\eta=120\pi\sqrt{\mu_r/\varepsilon_r}=60\pi$ 에서 $\mu_r=1$ 이므로 $\varepsilon_r=4$ 이다.
위상 속도 $v=\dfrac{3\times10^{8}}{\sqrt{\mu_r\varepsilon_r}}=1.5\times10^{8}\,\mathrm{m/s}$
자계식 $\omega t-z$ 에서 위상 상수 $\beta=1\,\mathrm{rad/m}$ 이므로 $\omega=v\beta=1.5\times10^{8}\,\mathrm{rad/s}$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
$0.5\times10^{8}$ 은 계산한 각속도와 다르다.
$3\times10^{8}$ 은 계산한 각속도와 다르다.
$6\times10^{8}$ 은 계산한 각속도와 다르다.

평행평판 콘덴서의 축적 전하량은 $Q = CV$이고, 용량은 $C = \varepsilon_0 \frac{A}{d}$로 구한다.
주어진 값을 정리하면 한 변 40cm = 0.4m이므로 $A = 0.4^2 = 0.16 \text{ m}^2$, 극판 간격 $d = 4\text{ mm} = 4 \times 10^{-3} \text{ m}$, 전위차 $V = 100\text{ V}$, $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12} \text{ F/m}$이다.
용량: $C = 8.85 \times 10^{-12} \times \frac{0.16}{4 \times 10^{-3}} = 8.85 \times 10^{-12} \times 40 = 3.54 \times 10^{-10} \text{ F}$
축적 전하량: $Q = 3.54 \times 10^{-10} \times 100 = 3.54 \times 10^{-8} \text{ C}$
따라서 축적 전하량은 3.54×10-8 C이다.

전자파의 기본 성질이 아닌 서술은 완전도체 표면에서 전부 흡수한다는 것이다.
완전도체 내부에는 전계가 존재할 수 없고 표면에서 접선 전계 성분이 $0$ 이어야 하므로, 입사한 전자파는 흡수되지 않고 전반사된다.
나머지 보기는 옳은 내용이다.
횡파라는 서술은 옳다. 전계와 자계가 모두 진행 방향에 수직으로 진동하기 때문이다.
반사, 굴절 현상이 나타난다는 서술은 옳다. 서로 다른 매질의 경계면에서 전자파는 반사와 굴절을 한다.
전계의 방향과 자계의 방향이 서로 수직이라는 서술은 옳다. 평면 전자파에서 전계와 자계는 서로 직교한다.

철심의 비투자율은 약 426 이다.
자속밀도 $B=\dfrac{\Phi}{S}=\dfrac{6\times10^{-4}}{4\times10^{-4}}=1.5\,\mathrm{T}$
투자율 $\mu=\dfrac{B}{H}=\dfrac{1.5}{2800}\approx5.36\times10^{-4}\,\mathrm{H/m}$
비투자율 $\mu_r=\dfrac{\mu}{\mu_0}=\dfrac{5.36\times10^{-4}}{4\pi\times10^{-7}}\approx426$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
43 은 계산한 비투자율과 다르다.
75 는 계산한 비투자율과 다르다.
324 는 계산한 비투자율과 다르다.

전송선의 특성 임피던스는 50 Ω 이다.
무손실 선로의 특성 임피던스 $Z_0=\sqrt{\dfrac{L}{C}}$
$Z_0=\sqrt{\dfrac{0.5\times10^{-3}}{0.2\times10^{-6}}}=\sqrt{2500}=50\,\Omega$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
75 는 계산한 특성 임피던스와 다르다.
125 는 계산한 특성 임피던스와 다르다.
250 은 계산한 특성 임피던스와 다르다.

구동점 임피던스의 영점은 임피던스가 0 이 되는 단락 상태이다.
$Z(s)=0$ 이면 전류가 흘러도 단자 전압이 $0$ 이 된다. 반대로 극점은 $Z(s)\to\infty$ 인 개방 상태이다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
전압이 가장 큰 상태는 영점이 아니다. 영점에서는 임피던스가 0 이므로 전류가 흘러도 전압이 0 이다.
회로를 개방한 상태는 임피던스가 무한대가 되는 극점에 해당한다.
전류가 흐르지 않는 상태는 임피던스가 무한대가 되는 극점에 해당하며, 영점이 아니다.

병렬회로에 인가된 전류는 두 분기 전류의 합인 전체 전류이므로, 그 위상 $\theta$ 는 두 분류 전류 사이에 놓이므로 $\theta_2\lt\theta\lt\theta_1$ 이다.
병렬회로에서는 전압이 공통이다. 저항 전류는 전압과 동위상이고, 인덕터 전류는 전압보다 $90^\circ$ 뒤진다.
따라서 $\theta_1$ 은 앞서고 $\theta_2$ 는 뒤지며, 두 전류의 벡터 합인 전체 전류의 위상은 그 사이에 있다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
$\theta\lt\theta_1\lt\theta_2$ 은 틀리다. 전체 전류의 위상이 두 분류 전류의 위상 사이에 있지 않고 가장 작게 놓여 있다.
$\theta_2\lt\theta_1\lt\theta$ 은 틀리다. 전체 전류의 위상이 두 분류 전류의 위상 사이에 있지 않고 가장 크게 놓여 있다.
$\theta_1\lt\theta\lt\theta_2$ 은 틀리다. 인덕터 전류가 저항 전류보다 앞서게 되어, 인덕터 전류가 뒤진다는 사실과 반대이다.

격자형(래티스) 대칭 정저항 회로에서 두 암의 임피던스 $(R+Z_1)$과 $(R+Z_2)$의 곱이 일정한 정저항 조건을 만족하려면, 각 암을 $R$과 $Z_1$, $Z_2$로 분리했을 때 Z1Z2 = R²의 관계가 성립해야 한다. 이는 일반적인 정저항 회로 조건 $Z_1 Z_2 = R^2$을 그대로 따르는 형태이며, 이때 구동점 임피던스는 주파수에 무관하게 $R$로 일정해진다.

기함수이면서 반파대칭인 비정현파에는 제5고조파가 포함된다.
기함수는 사인항만 갖고, 반파대칭은 홀수 고조파만 갖는다. 따라서 사인 성분의 홀수 고조파(제1, 3, 5, …)만 존재한다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
제2고조파는 짝수 고조파이므로 반파대칭 파형에는 포함되지 않는다.
제4고조파는 짝수 고조파이므로 반파대칭 파형에는 포함되지 않는다.
제6고조파는 짝수 고조파이므로 반파대칭 파형에는 포함되지 않는다.

코일의 자기 인덕턴스는 5 mH 이다.
유도 기전력 $e=L\left|\dfrac{\Delta I}{\Delta t}\right|$ 에서 전류 변화율은 $\dfrac{60-20}{0.01}=4000\,\mathrm{A/s}$
$L=\dfrac{20}{4000}=5\times10^{-3}\,\mathrm{H}=5\,\mathrm{mH}$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
10 은 계산한 인덕턴스와 다르다.
20 은 계산한 인덕턴스와 다르다.
200 은 계산한 인덕턴스와 다르다.

공진 주파수보다 높은 영역에서 R-L-C 직렬회로는 유도성 회로이다.
리액턴스 $X=\omega L-\dfrac{1}{\omega C}$ 에서 공진 주파수보다 높으면 $\omega L\gt\dfrac{1}{\omega C}$ 이므로 $X\gt0$ 이고, 전류가 전압보다 뒤진다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
공진 회로는 $X=0$ 이 되는 공진 주파수 한 점에서만 성립한다.
용량성 회로는 공진 주파수보다 낮은 영역에서 나타난다.
저항성 회로는 $X=0$ 인 공진 주파수에서만 성립한다.

나머지 소자는 C, 0.001 F 이다.
전류가 전압보다 $45^\circ$ 앞서므로 용량성 회로이고, $\tan45^\circ=\dfrac{X_C}{R}=1$ 에서 $X_C=5\,\Omega$
$C=\dfrac{1}{\omega X_C}=\dfrac{1}{200\times5}=0.001\,\mathrm{F}$
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
L, 0.1H 는 틀리다. 인덕터를 쓰면 전류가 전압보다 뒤지게 된다.
L, 0.01H 는 틀리다. 인덕터를 쓰면 전류가 전압보다 뒤지게 된다.
C, 0.0001F 는 틀리다. 이 경우 $X_C=\dfrac{1}{200\times10^{-4}}=50\,\Omega$ 이 되어 위상각이 $45^\circ$ 가 되지 않는다.

유효전력은 $500\sqrt{3}\,\mathrm{W}$ 이다.
유효전력 $P=VI\cos\theta$
$P=100\times10\times\cos30^\circ=1000\times\dfrac{\sqrt{3}}{2}=500\sqrt{3}\,\mathrm{W}$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
$125\sqrt{3}$ 은 계산한 유효전력과 다르다.
500 은 계산한 유효전력과 다르다.
1000 은 역률이 1일 때의 값이므로, 위상차가 $30^\circ$ 인 이 회로의 유효전력보다 크다.

8진수 $(326)_8$ 은 10진수 214 이다.
각 자리에 8의 거듭제곱을 곱해 더한다.
$3\times8^{2}+2\times8^{1}+6\times8^{0}=192+16+6=214$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
124 는 계산한 값과 다르다.
148 은 계산한 값과 다르다.
168 은 계산한 값과 다르다.

이상적인 연산증폭기에 대해 틀린 서술은 동상 신호 제거비(CMRR)가 0 이라는 것이다.
이상적인 연산증폭기는 동상 신호를 완전히 제거하므로 CMRR 은 $0$ 이 아니라 무한대이다. CMRR 이 0 이면 동상 신호를 전혀 제거하지 못한다.
나머지 보기는 옳은 내용이다.
입력 오프셋 전압이 0 이라는 서술은 옳다. 두 입력이 같으면 출력이 0 이다.
오픈 루프 전압이득이 무한대라는 서술은 옳다.
입력 바이어스 전류가 0 이라는 서술은 옳다. 입력 임피던스가 무한대이기 때문이다.

최대 허용 소모전력은 62.5 W 이다.
25℃ 를 넘는 온도에서는 올라간 온도에 비례해 허용 전력을 낮추는 디레이팅을 적용한다.
$P_D=100-0.5\times(100-25)=100-37.5=62.5\,\mathrm{W}$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
75W 는 계산한 허용 소모전력과 다르다.
73.5W 는 계산한 허용 소모전력과 다르다.
70W 는 계산한 허용 소모전력과 다르다.

트랜지스터의 스위치 동작은 차단과 포화의 두 상태로 동작하는 것이다.
스위치로 쓸 때는 베이스 입력으로 트랜지스터를 차단(전류가 거의 흐르지 않는 OFF)과 포화(컬렉터-이미터 전압이 거의 0 인 ON) 사이에서 전환한다. 활성 영역은 이 두 상태 사이를 지나가는 과정에서만 거친다.
나머지 보기는 활성 영역의 증폭 동작에 관한 내용이라 스위치 동작의 설명이 아니다.
전압이득을 입력전압과 출력전압의 비로 다루는 것은 증폭기의 성능 지표이며, 차단과 포화만 오가는 스위치 동작을 설명하지 않는다.
Rc 와 r′e 가 전압이득을 정한다는 것은 활성 영역에서 쓰는 이미터 접지 증폭기의 소신호 이득에 관한 내용이다.
작은 신호를 큰 신호로 만드는 것은 증폭 동작의 설명이다.

J=K=1인 플립플롭은 클럭마다 토글하므로 3비트 비동기 업-카운터는 8개 펄스마다 000으로 되돌아오는 MOD-8 카운터다. 펄스 14개는 $14 \bmod 8 = 6$이므로 000에서 6만큼 센 상태가 된다. 따라서 6 = 110(2), 즉 CBA=110이다.

저항값은 76Ω 이하여야 하며, 정답은 76Ω이다. 직렬회로에서 모든 소자에 같은 전류가 흐르므로, 각 LED에 100mA 이상이 흐르려면 저항값을 구해야 한다.
키르히호프 전압법칙에 의해 $V_{\text{전원}} = V_R + V_{LED1} + V_{LED2}$이고, 두 LED의 전압강하 합은 $2.2 + 2.2 = 4.4\text{V}$이다.
저항 양단의 전압은 $V_R = 12 - 4.4 = 7.6\text{V}$이다.
전류가 100mA 이상이어야 하므로 $I \geq 0.1\text{A}$일 때, 옴의 법칙 $R = \frac{V_R}{I}$에서 저항의 최댓값은 $R_{\max} = \frac{7.6}{0.1} = 76\text{Ω}$이다.

에너지 분포함수가 0 이라는 것은 에너지 상태가 비어 있다는 뜻이다.
분포함수 $f(E)$ 는 에너지 $E$ 의 상태가 입자로 채워질 확률이다. $f(E)=0$ 이면 채워질 확률이 0 이므로 그 상태는 비어 있다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
채워질 확률이 1 이라는 것은 분포함수가 1 이라는 뜻이며, 0 이 아니다.
채워질 확률이 0.5 라는 것은 분포함수가 0.5 라는 뜻이며, 0 이 아니다.
채워질 확률이 0.3 이라는 것은 분포함수가 0.3 이라는 뜻이며, 0 이 아니다.

양자화된 에너지를 갖고 파울리 배타 원리가 적용되지 않는 광자에는 보스-아인슈타인 분포함수를 쓴다.
광자는 스핀이 정수인 보존이라 같은 양자 상태에 여러 개가 들어갈 수 있어 배타 원리를 따르지 않는다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
소머펠트 분포함수는 금속 속 자유 전자를 페르미-디랙 통계로 다루므로 배타 원리가 적용된다.
페르미-디랙 분포함수는 배타 원리를 따르는 전자 같은 입자에 적용된다.
맥스웰-볼츠만 분포함수는 입자를 구별 가능한 고전 입자로 보는 통계로, 광자 같은 보존을 다루는 통계가 아니다.

초전도 현상은 저온에서 저항이 0 이 되는 현상이다.
임계 온도 이하로 냉각되면 저항이 완전히 사라져 전류가 손실 없이 흐른다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
물질의 격자 진동이 심해져 파괴된다는 서술은 틀리다. 초전도는 온도가 낮아지는 쪽에서 나타난다.
저항이 무한으로 커져 전류가 흐르지 않는다는 서술은 틀리다. 초전도에서는 저항이 0 이 된다.
이동도가 전계 세기의 평방근에 비례한다는 서술은 전자 이동도의 전계 의존성에 관한 내용이며, 저항이 0 이 되는 초전도 현상을 설명하지 않는다.

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)는 MOSFET의 게이트 제어 특성과 BJT의 낮은 온 전압 특성을 결합한 소자다.
MOSFET은 높은 입력 임피던스와 간단한 게이트 제어를 제공하지만 온 전압이 높고, BJT는 낮은 포화 전압으로 전력 손실이 작지만 베이스 전류 제어가 필요하다. IGBT는 이 두 장점을 통합해 MOS 구조의 게이트로 제어하면서도 BJT 수준의 낮은 온 전압을 달성하므로 고전력 스위칭 응용에 적합하다.
SCR, TRIAC, GTO는 모두 서로 다른 특성의 전력 반도체소자로 두 소자의 특성 결합체가 아니다.

접합 트랜지스터의 증폭 작용은 베이스 영역에서 소수 캐리어의 확산에 의한다.
이미터에서 베이스로 주입된 캐리어는 베이스에서 소수 캐리어이며, 농도 기울기에 따라 확산하여 컬렉터에 도달한다.
나머지 보기가 틀린 이유는 다음과 같다.
다수 캐리어는 베이스에 이미 높은 농도로 존재하며, 컬렉터로 흐르는 전류의 주체는 이미터에서 주입된 소수 캐리어이다.
도너 이온은 결정 격자에 고정된 이온이라 확산하여 이동하는 전하가 아니다.
억셉터 이온은 결정 격자에 고정된 이온이라 확산하여 이동하는 전하가 아니다.

일함수에 대해 틀린 서술은 일함수가 크면 적은 에너지로 많은 전자를 방출시킬 수 있다는 것이다.
일함수는 금속에서 전자 한 개를 밖으로 떼어내는 데 필요한 에너지이다. 일함수가 클수록 전자를 방출시키는 데 더 큰 에너지가 필요하다.
나머지 보기는 옳은 내용이다.
일함수가 이탈 준위(진공 준위)와 페르미 준위의 차라는 서술은 옳다.
일함수가 금속의 종류나 표면 상태에 따라 다르다는 서술은 옳다.
전자 한 개를 금속에서 공간으로 방출하는 데 필요한 일이라는 서술은 옳다.

역포화 전류를 줄이는 방법으로 틀린 것은 소수 캐리어의 밀도를 높이는 것이다.
역포화 전류는 접합 면적과 소수 캐리어 농도에 비례한다. 소수 캐리어 농도를 높이면 역포화 전류는 오히려 증가한다.
나머지 보기는 옳은 내용이다.
저항률을 낮게 하는 방법은 옳다. 도핑 농도가 높아지면 소수 캐리어 평형 농도가 줄어 역포화 전류가 감소한다.
접합 면적을 적게 하는 방법은 옳다. 역포화 전류가 면적에 비례하기 때문이다.
다수 캐리어의 밀도를 높이는 방법은 옳다. 소수 캐리어 농도는 다수 캐리어 농도에 반비례하여 줄어든다.

주양자수 $n=3$ 인 M 껍질의 최대 전자수는 18 이다.
주양자수 $n$ 인 껍질의 최대 전자수는 $2n^{2}$ 이다.
$2\times3^{2}=18$
나머지 보기는 계산값과 다르다.
2 는 $n=1$ 인 K 껍질의 최대 전자수이다.
8 은 $n=2$ 인 L 껍질의 최대 전자수이다.
32 는 $n=4$ 인 N 껍질의 최대 전자수이다.

SCR 에 대해 틀린 서술은 터널 다이오드와 똑같은 특성의 부성저항 소자라는 것이다.
터널 다이오드의 부성저항은 높게 도핑된 접합의 터널 효과에서 생기고, SCR 은 게이트 트리거로 도통되는 스위칭 소자이다. 동작 원리가 달라 특성이 똑같다고 할 수 없다.
나머지 보기는 옳은 내용이다.
전류제어형 소자라는 서술은 옳다. 게이트 전류로 도통을 제어한다.
게이트 전극이 전도에 영향을 준다는 서술은 옳다. 게이트 신호로 턴온 시점이 정해진다.
다이라트론과 비슷한 특성을 갖는다는 서술은 옳다. 게이트로 점호를 제어하는 스위칭 소자이다.

반도체의 특성으로 틀린 서술은 불순물을 첨가하면 도전율이 감소한다는 것이다.
반도체에 불순물을 첨가하면 캐리어가 늘어 도전율이 증가한다.
나머지 보기는 옳은 내용이다.
홀 효과가 크다는 서술은 옳다. 캐리어 농도가 작아 홀 계수 $1/(nq)$ 가 크다.
빛을 쪼이면 도전율이 증가한다는 서술은 옳다. 광도전 효과이다.
온도에 의해 도전율이 현저하게 변한다는 서술은 옳다.

N형 반도체는 원래 반도체 물질보다 원자가전자가 많은 불순물(공여자 도판트)을 사용하여 자유 전자를 증가시킨다. 인(P), 비소(As), 안티몬(Sb)은 모두 5가 원소로서 4가 반도체(Si, Ge)에 도핑되면 여분의 전자 1개를 제공하므로 N형 도판트로 적합하다. 반면 알루미늄(Al)은 3가 원소로서 전자가 부족하여 정공을 만드는 P형 도판트 특성을 가지므로 N형 불순물로 사용될 수 없다.

고유저항(resistivity)은 재료 내 자유 캐리어의 농도와 이동도의 곱으로 결정되므로, 고유저항 측정을 통해 불순물 반도체의 도핑 수준과 캐리어 농도를 평가할 수 있다.
진성 반도체의 캐리어 농도: 불순물 반도체와 대비되어 온도에만 의존하므로 고유저항 측정으로 결정되지 않는다.
다결정 재료의 수명 시간: 결함 밀도와 재결합율로 결정되어 고유저항과 직접 연관이 없다.
캐리어의 이동도: 단독으로 결정하려면 홀 효과 측정 등 추가 정보가 필요하므로, 고유저항 측정만으로는 이동도를 분리할 수 없다.