Physics 포스팅
Doyeon0430 | 2024년 01월 09일
이번시간에는 대학물리학에서 진행하는 등전위선 측정 실험에 대해 정리하겠습니다.
저는 대학교 과제를 수행하기 위해 보고서와 레포트를 제작했습니다.
그렇기 때문에 실험에 대한 오차율이 표시될 수 있으니 양해 부탁드립니다.
그럼 지금부터 보고서 정리를 시작하겠습니다.
전기장의 분포를 가시화하기 위해 등전위선을 측정하는 방법을 배웁니다.
도체 판에 전류를 흐르게 하여 그 위에 등전위선을 그리고 전기장과 등전위선에 관한 성질을 이해합니다.
등전위선은 전기장 내에서 같은 전위를 가지는 점들을 연결하는 선을 말합니다.
전기장은 전하 사이에 작용하는 힘의 영역이며 이 전기장 내에서의 전위차는 전하가 가지는 위치에너지의 차를 말합니다.
등전위선은 서로 교차하지 않으며 전기장의 방향은 등전위선의 수직 방향을 나타냅니다.
전하량 q의 하전 입자가 전기장 내에서 힘 F를 받는다면 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
E = F/q
다음으로 등전위선에는 총 가지의 특징들이 있습니다.
등전위선에서 전기장이 하는 일은 0이다.
등전위선들은 서로 간에 겹치거나 교차하지 않는다.
등전위선이 조밀할수록 전기장의 세기가 강하고 소할수록 약하다.
등전위선은 전기력선과 수직이다.
전기장이 일을 한다는 것은 정전하가 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해 가는 경우입니다.
그래서 전기력선은 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 향하고 전기자 E의 방향은 그 점에서 전위 V가 감소하는 방향입니다.
E와 V 사이의 관계식은 다음과 같이 정의할 수 있습니다.
E = -∇V
1. 등전위선 직류 전원 공급 장치(SG-3205S)
2. 멀티미터(SG-DM4000) / 전원장치(SG-8602A) / 고정 검침봉 / 이동 검침봉 / 여러 모양의 전극 / 도체지
3. 공학물리실험 (출판사 : 북스힐)
저는 대학교에서 공학물리학및실험 과목을 통해 해당 실험을 진행했습니다.
1. 등전위선 측정 장치를 준비하고 전압을 9V 로 조정한다.
2. 유리판 위에 도체지를 깔고 수평을 맞춘다.
3. 고정검침봉을 한 전극에 고정시키고 이동검침봉을 다른 전극에 연결한다.
4. 이동검침봉을 움직이며 등전위점이 0V 인 지점을 찾는다.
5. 전극으로부터 2칸 혹은 3칸씩 이동시키고 이동검침봉으로 그때의 등전위점을 찾는다.
6. 등전위점을 찾아 표시하고 그 점들을 연결하여 등전위선을 완성한다.
7. 4번~6번의 과정을 반복하며 약 5개~7개의 등전위선을 그린다.
다음으로 실험에 대한 결과를 정리하겠습니다.
실험실 상황에 따라 오차가 발생한 점 양해부탁드립니다.
1. 마주 보는 평행 판의 등전위선 그리기(거리가 멀 때)
2. 마주 보는 평행 판의 등전위선 그리기(거리가 가까울 때)
3. 서로 다르게 대전 된 전극의 등전위선 그리기
4. 여러 모양의 전극을 이용하여 등전위선을 그리기
전기장의 방향은 전위가 감소하는 방향이며 등전위선과 수직 관계를 가진다는 것을 알 수 있습니다.
예를 들어 지도에서 등고선의 모습을 보고 산의 높이나 기울기 등을 파악할 수 있는 것처럼,
등전위선의 모습으로부터 그 기울기에 해당하는 전기장을 파악할 수 있습니다.
또한 등전위선은 서로 겹치거나 교차하지 않고 두 원형 전극 사이의 공간에서
등전위선들이 조밀하며 이 부분에서 전기장의 세기가 강하다는 것으로 이해할 수 있습니다.
우리는 위 실험 결과로부터 부호가 다른 두 개의 원형전극 사이에서는 인가한 전압에 의해,
전류가 흐르며 이 전류의 방향은 전기장의 방향임을 유추할 수 있고 판 사이의 거리가 멀어질수록
가장자리에서의 fringing 효과로 전기력선에 수직으로 등전위선이 변화하게 되는 것을 알 수 있습니다.
하지만 등전위선 실험에 대한 한계점이 나타납니다.
등전위선은 전기장의 방향만을 나타내며 크기를 알기 위해서는 추가적인 실험이 필요하다는 것입니다.
요약하자면 전류를 높여도 등전위선 실험 결과는 똑같습니다.
이에 대한 이론은 V=IR 공식을 통해 설명할 수 있는데 등전위선은 같은 전압을 가진 선을 의미합니다.
전류를 높여도 저항은 변하지 않기 때문에 전압은 일정하게 비례합니다.
1. 전기장 및 전위의 시각화를 나타낼 수 있습니다.
2. 전자기파의 전파를 나타낼 수 있습니다.
3. 전기 배선 및 전기 회로의 설계를 이해할 수 있습니다.
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