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1. 실험 개요
1.1. 실험 목적
실험 목적은 전류에 의해 만들어지는 자기장을 이해하고, 이를 이용해서 전류계를 직접 제작해보는 것이다. 제작이 끝나고 나면 조교가 전류계의 정확도를 측정하여 그에 따른 점수를 부여할 것이다.
전류에 의해 자기장이 발생하는 원리를 이해하고, 이를 응용하여 간단한 전류계를 제작함으로써 전류와 자기장의 관계를 실험적으로 확인할 수 있다. 나아가 전류계 제작 과정에서 자기장의 개념과 비오-사바르 법칙 등 전자기학의 기본 이론들을 적용해볼 수 있다. 또한 실험을 통해 제작한 전류계의 정확도를 평가받음으로써 실험 설계와 구현 능력을 점검할 수 있다.
1.2. 실험 준비물
실험 준비물로는 나침반, 집게 전선 3개, 에나멜 도선, 문구용 칼, 각도계, 건전지 소켓, 건전지(1.5 V 대형), 저항(12 Ω), 각도가 표시되어 있는 종이 1장이 사용된다. 직류 전원은 조교용 1개가 제공된다. 나침반은 자기장 측정을 위해, 집게 전선과 에나멜 도선은 전류 공급을 위해, 문구용 칼은 에나멜선 피복 제거를 위해, 각도계는 나침반의 회전각 측정을 위해, 건전지와 저항은 기준 전류 공급을 위해, 각도 표시 종이는 나침반 각도 기록을 위해 사용된다. 이를 통해 전류에 따른 자기장을 측정하고 전류계를 제작하는 실험을 수행할 수 있다.
2. 실험 이론
2.1. 전류의 개념
전류는 전하의 흐름으로, 정량적으로는 단면을 통하여 단위 시간 당 흐르는 전하의 양을 말한다. 전류의 기호는 [I]이며, 단위는 [A]이다. 1A의 전류는 1C의 전하량이 도선의 단면을 통하여 1초 동안에 흐르는 것을 의미한다. 전류의 방향은 역사적인 이유로 양의 전하가 움직이는 방향을 따른다. 그러나 실제 일상생활 중 보편적으로 관찰되는 도선 내의 전류는 음의 전하를 띤 전자가 이동하여 형성되므로, 전류의 방향은 전자의 이동 방향과 반대방향이 된다. 한편, 물속에 녹아 있는 이온이 움직이는 경우 양전하와 음전하가 모두 움직여 전류를 형성하며, 이러한 경우 움직이는 전하를 전하 운반자라고 한다."
2.2. 전류계의 원리
전류계의 원리는 다음과 같다.
전류계는 전선에 흐르는 전류의 크기를 측정하는 장치이다. 일반적으로 전류계는 전선 내부에 자기장을 감지할 수 있는 방법을 이용하여 전류를 측정한다. 전류가 흐르면 주변에 자기장이 발생하게 되는데, 이 자기장의 크기는 전류의 크기에 비례한다. 따라서 전류계는 이 자기장의 크기를 측정하여 전류의 크기를 알아낼 수 있다.
대표적인 전류계의 종류로는 기둥 코일형 전류계, 열전류계, 디지털 전류계 등이 있다. 이 중 기둥 코일형 전류계는 전선에 감은 코일 내부의 자기장에 의해 코일이 회전하는 원리를 이용한다. 코일이 회전하면서 지시침이 눈금을 가리키게 되어 전류의 크기를 알 수 있다.
열전류계는 전류가 흐르면서 발생하는 열을 이용하여 전류를 측정한다. 전류가 흐를수록 발생하는 열이 많아지므로 이를 통해 전류의 크기를 알 수 있다. 한편 디지털 전류계는 전류에 의해 발생하는 전압 강하를 이용하여 디지털로 전류 값을 표시한다.
이처럼 전류계는 전선에 흐르는 전류로 인해 발생하는 자기장이나 열 등의 물리량을 측정함으로써 전류의 크기를 알아내는 장치이다. 이를 통해 전기회로에서의 전류 흐름을 파악할 수 있다.
2.3. 자기장의 개념
자기장은 자석이나 전류에 의해 발생하는 공간의 자기적 특성을 나타내는 벡터장이다. 자기장은 자석이 발생시키는 것과 전류가 발생시키는 두 종류가 있다.
자석이 발생시키는 자기장은 영구자석에 의해 생성되는데, 자석의 N극과 S극 사이에서 일정한 방향의 자기장이 형성된다. 이러한 자석에 의한 자기장은 시간에 따라 변화하지 않는 정적 자기장이다.
반면, 전류에 의해 발생하는 자기장은 전류가 흐르는 도선 주변에 형성...
