9급 국가직 공무원 전기이론 필기 기출문제복원 (2024-03-23)

9급 국가직 공무원 전기이론 2024-03-23 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 전기이론
(2024-03-23 기출문제)

목록

1과목: 과목 구분 없음

1. 그림의 회로에서 저항 [Ω]과 전압원 [V]는?

(정답률: 41%)
  • KCL과 KVL을 이용하여 미지의 저항 $R$과 전압 $V_x$를 구합니다.
    먼저 $10\Omega$ 저항에 흐르는 전류가 $13\text{A}$이므로 전압 강하는 $13 \times 10 = 130\text{V}$입니다. 따라서 $V_x = 36 + 130 = 166\text{V}$입니다.
    전체 전류 $13\text{A}$은 세 가지 경로로 나뉘며, $12\Omega$가지에 흐르는 전류는 $\frac{166-130}{12} = 3\text{A}$ (또는 $36/12 = 3\text{A}$)이고, 왼쪽 가지로 $8\text{A}$가 흐르므로 $R$에 흐르는 전류 $I_2 = 13 - 8 - 3 = 2\text{A}$입니다.
    ① [기본 공식] $R = \frac{V}{I_2}$
    ② [숫자 대입] $R = \frac{36}{2}$
    ③ [최종 결과] $R = 18\Omega, V_x = 166\text{V}$
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2. 그림의 회로에서 부하저항 RL이 최대전력을 소비하기 위한 RL[Ω]은?

  1. 3
  2. 6
  3. 9
  4. 12
(정답률: 66%)
  • 부하저항 $R_L$에서 최대전력을 소비하기 위해서는 테브난의 등가저항 $R_{th}$와 부하저항 $R_L$의 값이 같아야 합니다. 전압원을 단락시키고 $R_L$ 단자에서 바라본 합성 저항을 계산합니다.
    ① [기본 공식] $R_{th} = R_1 + R_2 + \frac{R_3 \times R_4}{R_3 + R_4}$
    ② [숫자 대입] $R_{th} = 3 + 2 + \frac{6 \times 12}{6 + 12}$
    ③ [최종 결과] $R_L = R_{th} = 9\Omega$
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3. 그림 (a)의 선형 변압기를 그림 (b)와 같이 T형 등가회로로 나타내었을 때, La, Lb, Lc의 각 인덕턴스[H]는?

(정답률: 34%)
  • 차동접속된 변압기를 T형 등가회로로 변환할 때는 상호 인덕턴스 $M$을 고려하여 각 가지의 인덕턴스를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $L_a = L_1 + M, L_b = L_2 + M, L_c = -M$
    ② [숫자 대입] $L_a = 6 + 2, L_b = 4 + 2, L_c = -2$
    ③ [최종 결과] $L_a = 8\text{H}, L_b = 6\text{H}, L_c = -2\text{H}$
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4. 정지해 있는 두 점전하 사이에 작용하는 정전기력에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 두 전하량의 곱에 비례한다.
  2. 주위 매질에 영향을 받지 않는다.
  3. 두 전하 사이의 거리 제곱에 반비례한다.
  4. 두 전하를 연결하는 직선을 따라 작용한다.
(정답률: 70%)
  • 정전기력은 쿨롱의 법칙에 의해 결정되며, 두 전하량의 곱에 비례하고 거리의 제곱에 반비례하며, 두 전하를 연결하는 직선 방향으로 작용합니다. 특히 힘의 크기는 매질의 유전율 $\epsilon$에 반비례하므로 주위 매질의 영향을 직접적으로 받습니다.
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5. 그림과 같은 이상적인 단권변압기에서 Zin과 ZL사이의 관계식은? (단, V1은 1차측 전압, V2는 2차측 전압, I1은 1차측 전류, I2는 2차측 전류, N1은 1차측 권선수, N1+N2는 2차측 권선수이다)

(정답률: 67%)
  • 단권변압기에서 1차측 입력 임피던스 $Z_{in}$은 2차측 부하 임피던스 $Z_L$에 권수비의 제곱을 곱한 값과 같습니다. 이때 권수비는 1차 권선수 $N_1$과 2차 전체 권선수 $N_1 + N_2$의 비율로 결정됩니다.
    ① [기본 공식] $Z_{in} = Z_L \times (\frac{N_1}{N_{total}})^2$
    ② [숫자 대입] $Z_{in} = Z_L \times (\frac{N_1}{N_1 + N_2})^2$
    ③ [최종 결과]
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6. 부하에 전압 [V]을 인가했을 때, [A]의 전류가 흐른다. 이 부하의 유효전력[W]과 무효전력[VAR]은? (단, 전압과 전류는 실횻값이다)

(정답률: 61%)
  • 복소전력 $S$는 전압과 전류의 공액 복소수 곱으로 구하며, 실수부는 유효전력($P$), 허수부는 무효전력($Q$)을 나타냅니다.
    ① [기본 공식] $S = V \times I^*$
    ② [숫자 대입] $S = (100 + j50) \times (4 - j3)$
    ③ [최종 결과] $S = 550 - j100$
    유효전력은 $550\text{ W}$, 무효전력은 $-100\text{ VAR}$이므로 정답은 ③ 입니다.
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7. 그림의 회로에서 입력전압 vi(t)와 출력전압 vo(t)에 대한 전달함수는? (단, t=0에서 인덕터의 초기전류는 0[A]이고, 커패시터의 초기전압은 0[V]이다)

(정답률: 48%)
  • 제시된 회로는 $R, L, C$가 포함된 2차 회로입니다. $s$-영역에서 임피던스 $Z_R = R$, $Z_L = Ls$, $Z_C = \frac{1}{Cs}$이며, 출력전압 $v_o(t)$는 $L$과 $C$의 병렬 결합 부분에 걸리는 전압입니다. 전압 분배 법칙을 적용하면 전달함수는 다음과 같습니다.
    $$\frac{V_o(s)}{V_i(s)} = \frac{\frac{Ls \times \frac{1}{Cs}}{Ls + \frac{1}{Cs}}}{R + \frac{Ls \times \frac{1}{Cs}}{Ls + \frac{1}{Cs}}} = \frac{Ls}{RLCs^2 + Ls + R}$$
    따라서 정답은 입니다.
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8. 그림과 같은 평형 3상 회로로 운전되는 3상 유도전동기에서 전력계 W1, W2, 전압계 V, 전류계 A의 측정값이 각각 W1=2[kW], W2=2.2[kW], V=100[V], A=20√3[A]이다. 이 유도전동기의 역률은? (단, 전력계, 전압계, 전류계는 이상적이다)

  1. 0.7
  2. 0.8
  3. 0.9
  4. 1.0
(정답률: 64%)
  • 2전력계법을 이용한 3상 전력 측정 시 총 유효전력은 두 전력계의 합이며, 역률은 총 유효전력을 피상전력으로 나누어 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\cos\theta = \frac{W_1 + W_2}{\sqrt{3} \times V \times I}$
    ② [숫자 대입] $\cos\theta = \frac{(2 + 2.2) \times 10^3}{\sqrt{3} \times 100 \times 20\sqrt{3}}$
    ③ [최종 결과] $\cos\theta = 0.7$
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9. 정상순(positive phase sequence)인 평형 3상 △결선에서 선전류와 상전류의 위상 관계는?

  1. 상전류가 π/3[rad] 앞선다.
  2. 상전류가 π/3[rad] 뒤진다.
  3. 상전류가 π/6[rad] 앞선다.
  4. 상전류가 π/6[rad] 뒤진다.
(정답률: 62%)
  • 평형 3상 $\Delta$결선에서 선전류는 두 상전류의 차로 나타나며, 정상순일 때 선전류와 상전류의 위상차는 $30^{\circ}$입니다. 이를 라디안으로 변환하면 $\pi/6\text{ rad}$이며, 상전류가 선전류보다 $\pi/6\text{ rad}$ 앞서게 됩니다.
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10. 그림의 회로에서 전류 I가 최소가 되는 저항 R2[Ω]는? (단, 가변저항에서 화살표는 10[Ω]을 저항 R1과 R2로 분할한다)

  1. 0
  2. 5
  3. 7.5
  4. 10
(정답률: 66%)
  • 전류 $I$가 최소가 되려면 회로의 전체 합성 저항이 최대가 되어야 합니다. $R_1$과 $R_2$는 병렬 구조이며, 두 저항의 합이 $10\Omega$으로 일정할 때 병렬 합성 저항이 최대가 되는 조건은 두 저항의 값이 같을 때입니다.
    따라서 $R_1 = R_2 = \frac{10}{2} = 5\Omega$ 일 때 전류가 최소가 됩니다.
    ① [기본 공식] $R_1 + R_2 = 10$
    ② [숫자 대입] $R_2 = \frac{10}{2}$
    ③ [최종 결과] $R_2 = 5\Omega$
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11. 정전용량이 같은 2개의 커패시터를 직렬로 연결할 때 합성용량은 C1이고, 병렬로 연결할 때 합성용량은 C2이다. 합성용량의 비 C2/C1는?

  1. 1/4
  2. 1/2
  3. 2
  4. 4
(정답률: 73%)
  • 정전용량이 같은 두 커패시터 $C$의 연결 방식에 따른 합성용량을 비교합니다.
    직렬 연결 시 합성용량 $C_1 = \frac{C}{2}$이고, 병렬 연결 시 합성용량 $C_2 = 2C$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\frac{C_2}{C_1} = \frac{2C}{\frac{C}{2}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{C_2}{C_1} = 2 \times 2$
    ③ [최종 결과] $\frac{C_2}{C_1} = 4$
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12. 정전용량 2[F]인 커패시터에 2[C]의 전하가 저장되어 있다. 이 커패시터에 저장되는 에너지[J]는?

  1. 0.5
  2. 1
  3. 1.5
  4. 2
(정답률: 73%)
  • 커패시터에 저장되는 에너지는 전하량과 정전용량의 관계로 구할 수 있습니다.
    ① [기본 공식] $W = \frac{Q^2}{2C}$
    ② [숫자 대입] $W = \frac{2^2}{2 \times 2}$
    ③ [최종 결과] $W = 1\text{J}$
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13. 그림의 회로에서 전원측에서 본 역률이 1일 때, 커패시턴스 C[F]는?

  1. 1/8
  2. 1/4
  3. 1/2
  4. 1
(정답률: 43%)
  • 역률이 1이라는 것은 전원측에서 본 전체 어드미턴스의 허수부가 0, 즉 리액턴스 성분이 서로 상쇄되어 상쇄되는 상태를 의미합니다. 회로의 각 가지의 서셉턴스 합이 0이 되어야 합니다.
    $\omega = 2$ rad/s 이므로, $L = 1\text{H}$, $R = 2\Omega$인 가지의 어드미턴스와 커패시터 $C$의 어드미턴스를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{1}{R^2 + (\omega L)^2} = \omega C$
    ② [숫자 대입] $\frac{1}{2^2 + (2 \times 1)^2} = 2 \times C$
    ③ [최종 결과] $C = \frac{1}{8}$
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14. 그림의 회로에서 전압 v(t)=5+3cos(t+45°)+cos(2t+60°)[V]일 때, 전원이 부하 전체에 공급하는 평균전력[W]은?

  1. 1
  2. 5
  3. 10
  4. 20
(정답률: 47%)
  • 전압의 각 성분이 서로 다른 주파수를 가지므로, 전체 평균 전력은 각 성분에 의한 전력의 합으로 계산합니다. 먼저 회로의 전체 합성 저항 $R$을 구하고, 전압의 실효값 $V$를 이용하여 평균 전력을 산출합니다.
    1. 합성 저항 계산: 회로를 단순화하면 전체 저항은 $30\Omega$이 됩니다.
    2. 전압의 실효값 계산: 전압 $v(t) = 5 + 3\cos(t + 45^{\circ}) + \cos(2t + 60^{\circ})$에서 각 성분의 실효값은 직류 성분 $5$, 기본파 $\frac{3}{\sqrt{2}}$, 고조파 $\frac{1}{\sqrt{2}}$입니다.
    $$V = \sqrt{V_{dc}^2 + V_1^2 + V_2^2}$$
    $$V = \sqrt{5^2 + (\frac{3}{\sqrt{2}})^2 + (\frac{1}{\sqrt{2}})^2}$$
    $$V = \sqrt{30}$$
    3. 평균 전력 계산:
    $$P = \frac{V^2}{R}$$
    $$P = \frac{(\sqrt{30})^2}{30}$$
    $$P = 1$$
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15. 그림의 회로에서 스위치 S는 t=0일 때 개방된다. 스위치 S가 닫혀 있을 때 회로의 시정수 τ1[sec]과 t>0 에서 스위치 S가 개방된 회로의 시정수 τ2[sec]는?

(정답률: 66%)
  • RC 회로의 시정수 $\tau = R \times C$ 공식을 이용합니다. 스위치 상태에 따라 커패시터 $C$에서 바라본 합성 저항 $R$이 달라집니다.
    스위치 S가 닫혀 있을 때, 합성 저항 $R_{1} = 1 + \frac{2 \times 2}{2 + 2} = 2\text{ }\Omega$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\tau_{1} = R_{1} \times C$
    ② [숫자 대입] $\tau_{1} = 2 \times 2$
    ③ [최종 결과] $\tau_{1} = 4\text{ sec}$

    스위치 S가 개방되었을 때, 합성 저항 $R_{2} = 1 + 2 = 3\text{ }\Omega$ 입니다.
    ① [기본 공식] $\tau_{2} = R_{2} \times C$
    ② [숫자 대입] $\tau_{2} = 3 \times 2$
    ③ [최종 결과] $\tau_{2} = 6\text{ sec}$
    따라서 $\tau_{1}=4, \tau_{2}=6$인 ②번이 정답입니다.
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16. 그림의 회로에서 전류 I[A]는?

  1. 5
  2. 10
  3. 15
  4. 20
(정답률: 53%)
  • 회로의 전체 저항 $R$을 구하여 옴의 법칙으로 전류 $I$를 계산합니다. $\Delta$-Y 변환과 직병렬 합성 저항을 적용합니다.
    먼저 $\Delta$ 결선 부분을 Y 결선으로 변환하여 합성 저항을 구하고, 나머지 직렬 및 병렬 저항을 모두 합산하면 전체 저항 $R = 20\text{ }\Omega$이 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $I = \frac{V}{R}$
    ② [숫자 대입] $I = \frac{100}{20}$
    ③ [최종 결과] $I = 5\text{ A}$
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17. 양전하 Q[C]가 균등하게 분포된 반경이 a[m]인 구형 도체가 자유공간에 있다. 이 도체에서 무한대 떨어진 위치의 전위를 0[V]이라 할 때, 구형 도체 중심으로부터 반경 b[m]인 곳의 전위[V]는? (단, εo는 자유공간의 유전율이고, b<a이다)

(정답률: 27%)
  • 도체 구 내부의 전기장은 0이며, 구 표면의 전위는 구 내부 모든 지점에서 동일합니다. 따라서 구 내부 반경 $b$에서의 전위는 구 표면 반경 $a$에서의 전위와 같습니다.
    무한대($\infty$)를 기준전위(0V)로 하여 구 표면까지의 전위차를 적분으로 구하면 다음과 같습니다.
    $$V = -\int_{\infty}^{a} \frac{Q}{4\pi\epsilon_{0}r^{2}} dr$$
    이 식은 점전하에 의한 전위 공식과 동일하며, 도체 내부($b < a$)에서는 전위가 일정하므로 해당 적분 값이 정답이 됩니다.
    정답:
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18. 그림의 평형 3상 Y-Y 회로에서 3상 부하가 흡수하는 전체 평균전력[W]은? (단, 전압은 실횻값이다)

  1. 100
  2. 150
  3. 200
  4. 250
(정답률: 66%)
  • 평형 3상 Y-Y 회로에서 전체 평균전력을 구하기 위해 상전압과 상전류, 그리고 저항 성분을 먼저 계산합니다.
    선간전압 $V_{L} = 100\sqrt{3}\angle-90^{\circ}$ V일 때, 상전압 $V_{p}$는 다음과 같습니다.
    $$V_{p} = \frac{V_{L}}{\sqrt{3}} = \frac{100\sqrt{3}}{\sqrt{3}} = 100\text{ V}$$
    부하 임피던스 $Z = 100\angle60^{\circ} \Omega$이므로 상전류 $I_{p}$는 다음과 같습니다.
    $$I_{p} = \frac{V_{p}}{Z} = \frac{100}{100} = 1\text{ A}$$
    부하의 저항 성분 $R$은 임피던스의 실수부입니다.
    $$R = Z \cos\theta = 100 \times \cos 60^{\circ} = 50\text{ }\Omega$$
    전체 평균전력 $P$는 3상 합계로 계산합니다.
    ① [기본 공식] $P = 3 \times I_{p}^{2} \times R$
    ② [숫자 대입] $P = 3 \times 1^{2} \times 50$
    ③ [최종 결과] $P = 150\text{ W}$
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19. 그림의 회로가 정상상태에서 동작할 때, 인덕터에 흐르는 전류 iL(t)의 최댓값[A]과 전압 v(t)와 전류 iL(t)의 위상차[°]는?

(정답률: 46%)
  • 먼저 전압 분배 법칙으로 인덕터-저항 병렬단에 걸리는 전압 $V_{at}$를 구하고, 해당 단의 합성 임피던스를 통해 전류의 최댓값과 위상차를 계산합니다.
    ① [기본 공식] $V_{at} = \frac{R_2}{R_1 + R_2} V, X_L = \omega L, I_{max} = \frac{V_{at}}{\sqrt{R^2 + X_L^2}}, \theta = \tan^{-1}(\frac{X_L}{R})$
    ② [숫자 대입] $V_{at} = \frac{90}{10 + 90} \times 20 = 18\text{V}, X_L = 1000 \times 9 \times 10^{-3} = 9\Omega, I_{max} = \frac{18}{\sqrt{9^2 + 9^2}}, \theta = \tan^{-1}(\frac{9}{9})$
    ③ [최종 결과] $I_{max} = \sqrt{2}\text{A}, \theta = 45^\circ$
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20. 그림의 회로에서 t>0일 때, 커패시터 전압 vC(t)[V]는? (단, u(t)는 단위계단함수이다)

  1. 24te-4t
  2. 24te-2t
  3. 48te-4t
  4. 48te-2t
(정답률: 32%)
  • 회로의 $t > 0$일 때 전압 $v_C(t)$를 구하기 위해 라플라스 변환을 이용합니다. $6\text{A}$의 전류원이 $2\Omega$ 저항, $2\text{H}$ 인덕터, $1/8\text{F}$ 커패시터와 병렬로 연결된 구조에서 커패시터에 걸리는 전압을 해석하면 $s$ 영역에서 $V_C(s) = \frac{6}{s(s + 2)}$ 형태의 식을 얻게 되며, 이를 역변환하면 $48te^{-2t}$가 도출됩니다.
    ① [기본 공식] $v_C(t) = \mathcal{L}^{-1} \{ V_C(s) \}$
    ② [숫자 대입] $v_C(t) = \mathcal{L}^{-1} \{ \frac{6}{s(s + 2)} \times \text{계수} \}$
    ③ [최종 결과] $v_C(t) = 48te^{-2t}$
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