본문내용
1. 정전기 전하
1.1. 실험 목적
실험 목적은 마찰에 의하여 유도된 정전기의 양과 극성을 Faraday 얼음통으로 측정하여 마찰전기의 특성을 이해하고, 도체들의 전위와 배치에 따라 도체 표면에 분포하는 표면전하의 밀도를 Faraday 얼음통으로 측정하여 정전기 유도 현상을 이해하는 것이다.
1.2. 실험 이론 및 원리
1.2.1. 실험 배경
겨울철 털옷을 벗을 때 또는 양탄자 위를 걸은 후에 문의 손잡이를 잡으려고 할 때 정전기가 일어나서 순간적으로 전기 충격이 오는 것을 느낄 수 있다. 이런 현상은 다른 물질들이 서로 접촉하여 전자가 이동하기 때문이다. 이것을 접촉에 의한 대전이라고 한다. 두 물체를 마찰시키면 한쪽 물체는 (+)전기를 띠게 되고 다른 쪽은(-)전기를 띠게 된다. 하지만 마찰시키는 물체에 따라서 대전되는 전하가 상대적으로결정된다. 예를 들어 유리와 털가죽을 문지르면 털가죽은 (+)로 유리는 (-)로 대전된다. 그리고 같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어내고 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당긴다.
1.2.2. 실험 요점
정전기는 전하와 그것들의 특성에 관한 연구이다. 정전기를 실험적으로 조사하기 위하여, 전하를 탐지하거나 측정하는 장치가 필요하다. 이 목적을 위한 가장 일반적인 장치는 공통의 점에 수직으로 매달린 2장의 얇은 금박을 가진 장치인 검전기이다. 전하를 띤 물체를 검전기 근처로 가져오게 되었을 때, 금박은 분리되고, 전하의 크기를 대략 보여준다. 비록 검전기가 여러 종류가 있지만, 그러한 모든 기구는 전하의 크기를 알기 위해 같은 전하의 척력을 이용한다. 불행히도, 그런 장치는 비교적 감도가 작고 (많은 전하의 양이 금박을 분리할 때 필요하듯이), 장치는 정량적 표시를 가지고 있지 않다. 전하 센서는 전자 공학적 검전기 같은 것이다. 정량 측정을 제공하는 것 이외에, 전하 센서는 더 민감하며 극성을 직접 보여준다. 전하 센서를 사용하여 전하 발생기의 극성을 결정하라. 그리고 각 종류의 전하 발생기와의 접촉에 의해 'Faraday Ice Pail'로 옮겨진 전하량을 측정하라. 마지막으로 전하 센서를 사용하여 유도로 인한 'Faraday Ice Pail'의 전하를 측정하라. DataStudio 또는 ScienceWorkshop을 사용하여 데이터를 기록하고 디스플레이하라. 접촉에 의한 전기화와 유도에 의한 전기화를 비교하라."
1.2.3. 실험 원리
정전기는 분포가 시간적으로 변화하지 않는 전하 및 그 전하에 의한 전기 현상으로 마찰 전기 따위에서 볼 수 있다. 같은 종류의 전하사이에는 척력이 작용하고, 다른 종류의 전하 사이에는 인력이 작용한다. 패러데이의 얼음통 실험으로 이런 전하의 성질을 이용하여 전하분포를 확인한다.
전하 발생기를 패러데이 얼음통 내부에 접촉시키면 전하 발생기의 정전기가 패러데이 얼음통으로 이동하는 원리를 이용한다. 대전된 막대를 도체 표면에 가까이 가져가면 도체에 접촉시키지 않고도 도체 내의 전자를 이동시킬 수 있는데, 이를 유도에 의한 대전이라고 한다.
즉, 정전기 발생은 대전체에 대한 정전기 유도로 설명할 수 있다. 대전체를 도체 표면에 가까이 가져가면 도체 내부의 전자가 대전체와 반대로 이동하게 되어 도체 표면에 유도 전하가 생기게 된다. 이렇게 대전체와 반대 전하가 유도되는 현상을 정전기 유도라고 한다.""
1.2.4. 대전의 종류
대전의 종류에는 크게 세 가지가 있다. 첫째, 접촉에 의한 대전이다. 두 물체를 마찰시키면 한쪽 물체는 (+)전기를 띠게 되고 다른 쪽은 (-)전기를 띠게 된다. 마찰시키는 물체에 따라 대전되는 전하가 상대적으로 결정되는데, 예를 들어 유리와 털가죽을 문지르면 털가죽은 (+)로 유리는 (-)로 대전된다. 이처럼 접촉에 의한 대전은 마찰로 인해 자유전자가 한 물체에서 다른 물체로 이동하면서 발생한다.""
둘째, 유도에 의한 대전이다. 대전된 막대를 도체 표면에 가까이 가져가면 도체에 접촉시키지 않고도 도체 내의 전자를 이동시킬 수 있다. 이것을 유도에 의한 대전이라고 한다. 대전된 물체에 의해 도체 내부에 반대 극성의 전하가 유도되어 발생하는 현상이다.""
셋째, 감응에 의한 대전이다. 대전된 물체를 접촉하지 않은 상태로 절연체 근처에 가져가면 절연체 내부에서도 대전이 일어난다. 이때 절연체 표면에서 대전된 물체와 반대 극성의 전하가 유도되는데, 이를 감응에 의한 대전이라고 한다. 절연체 내부의 분자들이 대전된 물체에 의해 분극되어 반대 극성의 전하가 유도되는 것이다.""
이처럼 대전의 종류에는 접촉에 의한 대전, 유도에 의한 대전, 감응에 의한 대전 등이 있다. 이러한 대전 현상은 우리 생활 속에서 다양하게 관찰되며, 정전기 현상의 원인이 된다.
1.3. 실험 기구 및 장치
실험 기구 및 장치"는 전하 센서(Charge Censor : CI- 6555), 페러데이 얼음통(Faraday Ice Pail : ES-9042A), 전하 발생기(Charge Producers : ES-9057A)로 구성되어 있다. 전하 센서는 전하량을 측정하기 위한 장치이며, 페러데이 얼음통은 전하의 분포를 확인하기 위한 장치이다. 전하 발생기는 (+)전하와 (-)전하를 발생시키는 장치이다. 이러한 실험 기구와 장치를 사용하여 정전기 전하의 특성을 실험적으로 조사할 수 있다."
1.4. 실험 방법
1.4.1. Part 1: 컴퓨터 셋업
Science Workshop 인터페이스를 컴퓨터에 연결하고, 컴퓨터와 인터페이스를 켠다.
전하센서를 인터페이스의 아날로그 센서 A에 연결한다.
케이블 조합을 센서의 BNC포트에 연결한다. BNC 포트 상의 핀과 케이블 끝의 커넥터를 정렬하여 커넥터를 포트 위로 밀고 클릭이위치할 때까지 커넥터를 약 1/4 정도 시계 방향으로 돌린다.
DataStudio 프로그램을 실행시킨 후, Open activity를 클릭하여 C:/DataStudio/Physics/P29 Charge.ds 파일을 연다. DataStudio 파일에는 워크북 화면이 있다. 워크북에서 사용 설명을 읽는다.
데이터 기록은 초당 10 samples로 설정한다.
1.4.2. Part 2: 센서 교정과 장비 셋업
Part 2: 센서 교정과 장비 셋업은 실험을 시작하기 전에 반드시 수행해야 하는 중요한 단계이다. 우선 화면 상단의 메뉴에서 "Setup"을 클릭하여 전하 센서가 올바르게 연결되어 있는지 확인해야 한다. 그 다음 패러데이 얼음통을 접지해야 하는데, 이는 얼음통의 안과 바깥쪽을 모두 손으로 건드려 통체를 접지시키는 것이다. 이어서 두 개의 선이 연결된 집게를 얼음통의 안쪽에 설치하고 하나의 선이 연결된 집게를 바깥쪽 통에 설치하여 얼음통을 접지시킨다. 이와 같이 센서와 장비를 올바르게 설정하고 접지를 수행하는 것은 실험의 신뢰성과 정확성을 높이는데 매우 중요하다. 실험 진행에 앞서 이 과정을 충실히 이행하는 것이 필수적이다.
1.4.3. Part 3: A - 데이터 기록 전하 발생기의 극성
얼음통(Faraday Ice Pail)을 접지하고 전하 센서의 'ZERO' 버튼을 클릭하여 센서의 전하가 모두 방전되게 한다. 이후 데이터 기록을 시작하여 전하 발생기의 파란 표면과 하얀 표면을 몇 번 세게 문지른다. 그리고 하얀 전하 발생기의 표면을 안쪽 통에 닫지 않게 넣었다가 뺀다. 잠시 뒤 데이터 기록을 중단한다. 이를 통해 전하 발생기의 극성을 확인할 수 있다. 마찰에 의해 자유전자가 이동되는데 하얀 전하 발생기가 대전열이 더 강하여 자유전자를 파란 전하 발생기...
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