소개글
"전기력선의 성질에 대하여"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험 목적
1.2. 이론적 배경
2. 실험 방법
2.1. 실험 장치 소개
2.2. 실험 진행 과정
3. 실험 결과
3.1. 원형 전극의 등전위선
3.2. 막대 전극의 등전위선
3.3. 전극의 형태에 따른 등전위선 특성
4. 실험 결과 분석
4.1. 전기장과 등전위선의 관계
4.2. 등전위선의 밀도와 전기장 강도의 관계
4.3. 전극 형태에 따른 등전위선 특성 분석
5. 실험 오차 및 한계
5.1. 실험 장비의 오차
5.2. 전극의 움직임으로 인한 오차
5.3. 도체 내부 전기장 가정의 한계
6. 결론
7. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험 목적
본 실험의 목적은 도체판 위에 전류를 흐르게 하여, 여러 형태의 전극 사이에서 형성되는 등전위점들을 찾고, 이때 등전위선이 어떤 모양으로 형성되는지 컴퓨터 프로그램을 통해 확인하며, 전기장과 등전위선에 관한 성질을 알아보는 것이다.
1.2. 이론적 배경
전기장 전하의 주위에는 전기장이 생긴다. 전기장은 전하의 전기력이 미치는 공간으로 다른 전하가 이 시스템에 놓이게 되면 그 전하는 전기장에 의해 영향을 받는다. 그 영향은 전하가 +1 Coulomb (C) 당 받는 전기력과 같다. 따라서 전기장은 다음과 같은 식으로 정리할 수 있다.
(1)
이때, 전기장의 방향을 나타내는 선은 전기력선이라 칭하고, 이 선은 전기력과도 같은 방향이다.
전위와 전위차 전위는 전기장 내에서 단위전하가 갖는 전기력 위치 에너지고, 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
(2)
식 (1)을 사용하여 식 (2)는 다음과 같이 증명할 수 있다.
(3)
전위차는 1쿨롱의 단위 전하를 r1 지점에서 r2 지점까지 등속도로 움직일 때 필요한 일을 전위차라고 한다. 여기서 전하가 받는 전기력과 반대방향으로 힘을 가해줘야 하므로 전위차는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
(4)
전기력은 보존력이기 때문에 r1에서 r2 까지의 경로는 무관하다.
등전위선 등전위선은 전기장내에 같은 전위을 가진 위치들을 이은 선이다. 아래 그림에서 +1C 전하의 전기장내에 있는 등전위선과 전기력선이 보여준다.
그림1. 전기력선과 등전위선
식 (4)를 토대로 만약 r1과 r2가 같은 등전위선 위에 있는 점이라면 전위차는 0이므로 V2 - V1 도 0이여야 한다. 이에 따르면 전위차가 0이 되기 위해서는 등전위선과 전기력선은 항상 수직이어야 한다. 또한 일정한 전위차의 등전위선들을 관찰해 보면 이 선들은 균일한 간격이 아니라는 것을 알 수 있다.
전기장은 전기장을 형성하는 원천 전하에 가까워질수록 강도가 커진다. 이는 식 (1)을 통해 알 수 있다. 원천 전하와 가까운 위치에서 움직이려면 전기장의 영향을 극복하기 위해 더 큰 일이 가해져야 한다. 따라서 가까운 위치에 놓여있는 전하들은 멀리 위치된 전하들보다 더욱 큰 전기적 위치 에너지를 갖는다. 즉, 큰 전위를 가지고 있다. 이러한 이유 때문에 일정한 전위차의 등전위선들의 간격은 균일하지 않다.
2. 실험 방법
2.1. 실험 장치 소개
실험을 위해 먼저 컴퓨터와 어댑터를 사용하여 등전위선 실험장치와 연결한다. 그 다음 Equipote라는 프로그램을 실행하여 등전위선을 그릴 때 화면에 그림이 나오도록 한다. 흑연판 위에 전극을 고정나사로 조립하는데, 이때 안전을 위해 파워 서플라이를 꺼둔다. 전극을 모두 고정한 뒤에는 파워 서플라이를 적절한 전압으로 조절한다. 이때 전극 사이에 전위차가 생겨 전기장이 형성된다. 등전위선 측정을 위해 장치에 부착된 탐침을 이용하여 흑연판 위의 임의의 위치를 찾고, 같은 전위인 다른 위치를 탐색한다. Equipote 프로그램의 화면에서는 전위차를 색깔로 구분하여 보여주므로, 같은 색의 선을 따라가면서 등전위선을 찾는다. 하나의 등전위선을 완성하면 다른 전위의 등전위선을 그려나간다. 실험에서는 원형전극과 막대전극을 사용하여 다양한 형태의 등전위선을 관찰하였다.
2.2. 실험 진행 과정
실험 진행 과정은 다음과 같다.
먼저 컴퓨터와 어댑터를 사용하여 등전위선 실험장치를 연결한다. 그 다음 Equipote 프로그램을 실행시켜 등전위...
참고 자료
대학물리학교재편찬위원회, “대학물리학Ⅱ”, 북스힐, 2020년, p587-601
동국대학교 일반물리학실험 교재편찬위원회, “일반물리학실험”, 북스힐, 2019년, p157-160
“등전위선”, 물리학백과, 한국물리학회,
https://terms.naver.com/entry.nhn?cid=60217&docId=5741616&categoryId=60217
서울대학교 물리천문학부, 『실험 2-2. 등전위선』, 2017.
Walker, J., Halliday, D. and Resnick, R., Principles of Physics, 10th ed., Wiley, New York(2014)
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