본문내용
1. 등전위선
1.1. 실험 목적
도체판(또는 전해질)에 전류를 흐르게 하여 그 위에 등전위선을 그리고, 전기장과 등전위선에 관한 성질을 이해하는 것이 이번 실험의 목적이다. 즉, 전기장이 존재하는 환경에서 등전위선을 측정하고 그 특성을 분석하여 전기장과 등전위선의 관계를 파악하는 것이 주된 목적이라고 할 수 있다.
전하를 가진 두 극 사이에는 항상 전기장이 생성되며, 같은 전위를 갖는 점들을 이어 등전위선을 구할 수 있다. 이러한 등전위선은 전기장의 방향과 밀접한 관련이 있으므로, 등전위선의 형태와 성질을 분석하면 전기장의 특성을 파악할 수 있다. 따라서 이번 실험을 통해 등전위선의 특성을 이해하고, 이를 바탕으로 전기장과의 관계를 도출하고자 하는 것이 실험의 주된 목적인 것이다.
1.2. 실험 원리
전위차를 가진 두 전극(전하) 사이에는 항상 전기장이 존재한다. 전하량 q가 이 전기장 내에서 힘 F를 받을 때, 그 점에서의 전기장은 E=F/q로 정의된다. 한편, 그 점의 전위 V는 단위전하당의 위치에너지로 정의된다. 전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재한다. 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다. 전기력선이나 등전위면은 전기장 내에서 무수히 많이 그릴 수 있다. 하나의 점전하 Q가 만드는 전기장의 전기력선은 Q가 있는 점을 중심으로 하는 방사선으로 그리고, 등전위면은 Q점을 중심으로 하는 동심구면이 된다. +Q의 점전하와 -Q의 점전하가 공간에 놓여 있을 때는 이와 같은 전기력선과 등전위면을 그릴 수 있다. 등전위면 위에서 전하를 이동시키는 데 필요한 일(W=q∆V)은 0이므로, 그 면에 접한 방향에는 전기장의 값이 없다. 따라서, 전기장의 세기는 그 면에 수직이다. 전기장이 일을 한다는 것은 정전하가 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해가는 경우이므로, 전기력선은 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 향한다. 따라서, 전기장 E의 방향은 그 점에서 전위 V가 가장 급격히 감소하는 방향이며, 그 방향으로의 미소변위를 dl이라 하면, E와 V사이의 관계식은 ∆V=-∫E·dl=-∫E·n dl 또는 E=-dV/dl·n이다. 따라서, 전기장 E는 등전위선(면)에 수직이 된다. n은 등전위면(선)에 수직인 단위벡터이다."
1.3. 실험 장치
실험 장치는 얇은 도체판 또는 바닥에 얇은 철사망이 있는 물접시, 검류계 또는 오실로스코프, 전원(건전지 6V, DC전원, AC전원), 세 개의 고정전극과 한 개의 이동단자, 그리고 여러 모양의 전극(실험에서는 원형, 직사각형, 직선의 전극 3개)으로 구성된다."
1.4. 실험 방법
(1) 도체판(얇은 알루미늄(Al)판 또는 탄소판이 입혀진 먹지) 또는 전도용액(전해질)을 그림 2.1.2와 같은 사각접시의 바닥에 놓는다. 얇은 도체판의 경우에는 그 뒷면에 그래프 용지를 붙여놓고 표식이 나타날 수 있게 하고, 전도용액을 사용할 때는 바닥에 그래프 용지를 깔아 놓고 연한 색연필로 표시한다.
(2) 그림 2.1.2와 같이 고정전극 a와 b전극에 전원을 연결하여 전류가 0.1~0.5A 정도로 흐르게 전원조정을 하고 전원을 off로 놓는다.
(3) 검류계 또는 오실로스코프의 단자에 전극 c와 d를 연결한다. 검류계의 영점 또는 오실로스코프의 조정을 마친 후 사용한다.
(4) 전원을 on으로 하고 전류계에 전류가 흐르는 것을 확인한 다음, c전극 끝을 적당한 곳에 고정시킨다. 편의상 c의 끝점은 전극 a, b를 잇는 ...
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