본문내용
1. 비저항 측정 실험
1.1. 실험 목적 및 원리
비저항은 도체의 전기적 특성을 나타내는 중요한 물리량이다. 이 실험의 목적은 길이와 단면적이 다른 다양한 금속 시료의 비저항을 측정하여 비저항의 특성을 이해하는 것이다. 비저항 측정 실험에서는 옴의 법칙에 기반한 공식을 활용하여 시료의 비저항을 계산할 수 있다.
시료의 저항(R)은 전압(V)을 전류(I)로 나눈 값으로 구할 수 있다. 이때 저항은 시료의 길이(L)에 비례하고 단면적(A)에 반비례한다. 따라서 길이와 단면적이 다른 시료의 저항을 측정하면 비저항(ρ)을 구할 수 있다. 비저항은 물질의 고유한 특성으로, 물질마다 고유한 값을 가지고 있다.
비저항(ρ)은 전압(V), 전류(I), 길이(L), 단면적(A)을 이용하여 다음과 같은 공식으로 계산할 수 있다:
ρ = RA/L = (V/I)(A/L)
이 실험에서는 다양한 금속 시료의 길이와 단면적을 변화시켜가며 저항을 측정하고, 비저항을 계산할 것이다. 이를 통해 비저항이 물질의 고유한 특성이며, 길이와 단면적에 따라 달라지는 저항의 특성을 이해할 수 있을 것이다.
1.2. 실험 장비 및 물질
실험 장비 및 물질은 다음과 같다.
황동(직경 2.38, 3.18, 3.97, 4.76mm), 스테인리스 스틸, 피아노줄, 알루미늄, 구리(직경 3.18mm) 등의 금속 시료가 사용되었다. 또한 전압 측정 장치, 전류 측정 장치, 악어클립 연결선, 전원 공급 장치 30V/5A 등의 실험 장비가 사용되었다. 그리고 버니어 캘리퍼스를 활용하여 금속 시료의 직경을 정밀하게 측정하였다.
1.3. 실험 과정
실험 과정은 다음과 같다.
실험자는 그림 27.1을 참고하여 전원장치, 전류계, 눈금자, 금속 종류별 시료가 있는지 확인하고 연결을 한다. 이후 시료를 하나 연결하여, 전류와 전압의 크기가 측정되는지 확인한다. 단, 전류계와 전압계의 연결이 제대로 되었는지 확인하고, 측정 장치의 읽는 방법을 숙지한다.
다음으로 전원장치의 전류 다이얼을 반 이상 돌려놓은 다음 전압의 크기를 서서히 증가시키면서 전류계와 전압계의 변화를 확인해 본다. 단, 변화가 없을 때는 연결 상태를 다시 한번 확인해보고 그래도 이상이 있을 때는 담당 선생님에게 문의한다.
이후 시료의 지름이 같은 스테인레스 스틸(3.18mm), 피아노 줄(3.18mm), 알루미늄(3.18mm), 구리(3.18mm), 황동(3.18mm)에 대하여 시료의 길이 변화에 대한 전류와 전압을 각각 측정한다. 길이 변화는 결과 보고서의 변화량을 따르든지 실험자가 임의로 바꾸어도 상관없다.
마지막으로 시료의 길이가 일정할 때 황동의 지름(표1 참조)의 크기 변화에 대한 전류와 전압의 크기를 구해본다.
1.4. 실험 결과
1.4.1. 황동 시료의 비저항 측정
황동 시료의 비저항 측정 결과는 다음과 같다.
황동 1은 직경 0.033cm의 시료로, 길이 변화에 따른 저항 측정값은 다음과 같다: 길이 10cm일 때 저항 73.64옴, 15cm일 때 저항 110.36옴, 20cm일 때 저항 146.91옴이다. 이를 통해 황동 1 시료의 비저항은 약 7.30 × 10^-8 옴·m로 계산되었다.
황동 2는 직경 0.094cm의 시료로, 길이 변화에 따른 저항 측정값은 다음과 같다: 길이 10cm일 때 저항 8.14옴, 15cm일 때 저항 12.23옴, 20cm일 때 저항 16.35옴이다. 이를 통해 황동 2 시료의 비저항은 약 7.16 × 10^-8 옴·m로 계산되었다.
황동 3은 직경 0.107cm의 시료로, 길이 변화에 따른 저항 측정값은 다음과 같다: 길이 10cm일 때 저항 7.46옴, 15cm일 때 저항 11.11옴, 20cm일 때 저항 14.72옴이다. 이를 통해 황동 3 시료의 비저항은 약 7.32 × 10^-8 옴·m로 계산되었다.
세 황동 시료의 비저항 측정값은 평균 약 7.26 × 10^-8 옴·m 정도로 나타났다. 이는 일반적인 구리 58% 함유 황동의 비저항 이론값 5.9 × 10^-8 옴·m와 비교하여 다소 높은 편이다. 이러한 차이는 시료의 실제 화학 조성, 온도 변화, 측정 오차 등 다양한 요인으로 인한 것으로 보인다.
1.4.2. 기타 금속 시료의 비저항 측정
다른 금속 시료인 스테인리스 스틸, 피아노줄, 알루미늄, 구리에 대한 비저항 측정 실험이 진행되었다. 스테인리스 스틸 시료의 경우 길이 변화에 따른 저항 측정 결과, 길이가 증가할수록 저항 값이 증가하는 경향을 보였다. 이를 통해 저항과 길이의 비례관계를 확인할 수 있었다. 그래프 분석 결과, 스테인리스 스틸의 비저항 실험값은 약 62.76×10^-8 Ω·m로 계산되었다.
피아노줄 시료에서도 길이가 증가할수록 저항 값이 증가하는 양상을 보였다. 그래프 분석을 통해 피아노줄의 비저항 실험값은 약 322.75×10^-8 Ω·m로 나타났다.
알루미늄 시료 역시 길이와 저항의 비례관계를 보였으며, 알루미늄의 비저항 실험값은 약 529.47×10^-8 Ω·m로 계산되었다.
마지막으로 구리 시료에서도 길이 증가에 따른 저항 값의 증가가 관찰되었다. 구리의 비저항 실험값은 약 3309.14×10^-8 Ω·m로 도출되었다.
이번 실험을 통해 다양한 금속 시료의 비저항을 측정할 수 있었다. 각 금속마다 고유한 비저항 값을 가지고 있음을 확인하였으며, 길이와 저항의 선형적인 관계도 검증할 수 있었다. 이러한...
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