본문내용
1. 전자기 유도 실험
1.1. 실험 1 - 전자기 유도 1
실험1 - 전자기 유도1
[그림 1]은 시간에 따른 코일에 유도된 전압과 자기선속을 그래프로 나타낸 것이다. N극을 아래로 향하게 한 뒤 낙하시켰으므로 유도 기전력은 위 방향으로 N극을 생성하도록 발생될 것이다. 따라서 코일을 위에서 본 것을 기준으로 반시계 방향으로 전류가 발생되고 이에 따라 전압이 측정되었을 것이다.
[표 1]에서 실험1의 그래프 분석 결과를 살펴보면, 극솟값은 -1.122V(0.104s일 때), 극댓값은 1.360V(0.141s일 때)로 나타났다. 또한 그래프의 (-) 면적은 -0.036Vs, (+) 면적은 0.037Vs로 거의 동일한 값을 가진다.
전압과 시간 간의 그래프 면적 ∫ ε dt는 총 통과한 자기선속의 변화 -ΔΦB와 같다. 즉, 자기선속의 변화가 클수록 그래프의 면적도 증가하게 된다. 이를 통해 자기선속이 최대가 되는 시점, 즉 자석의 정중앙이 코일 중심을 지나는 시점에서 유도 기전력의 부호가 바뀌는 것을 알 수 있다. 자석이 들어갈 때와 나올 때 자기선속의 변화가 유사하므로 (+) 면적과 (-) 면적도 거의 같게 나타나는 것이다.
그래프의 극솟값과 극댓값은 자석이 코일 내부에 완전히 들어온 시점과 빠져나간 시점을 나타낸다. 이때 자기선속의 변화가 가장 적어 유도 기전력이 가장 작게 나타난다. 극솟값과 극댓값의 절대값이 유사한 이유는 자석이 코일로 들어갈 때와 나올 때의 자기선속 변화가 대칭적이기 때문이다.
전반적으로 이 실험을 통해 패러데이의 전자기 유도 법칙을 잘 확인할 수 있었다. 자석의 움직임에 따른 자기선속의 변화가 유도 기전력 발생의 핵심 원리임을 이해할 수 있었다.
1.2. 실험 2 - 전자기 유도 2
실험2 - 전자기 유도2에서는 실험1과 동일한 조건에서 자석의 자극만 반대로 하여 자석을 자유낙하 시켰다. 즉, S극이 아래로 향하도록 자석을 자유낙하 시켰다. 이때 측정된 그래프를 분석해 보면, 실험1과 비교하여 부호만 반대이고 극대, 극솟값의 절댓값은 비슷하게 측정되었다.
이 결과의 이유는 같은 자석을 이용하였고 같은 높이에서 낙하시켰는데 자석의 극성만 반대로 한 것이기 때문이다. S극이 아래로 향하게 되므로 이를 방해하기 위해 아래 방향이 N극이 되도록 유도 기전력이 생성될 것이고 전류는 시계방향으로 흐르게 되어 실험1과 부호만 반대가 되는 것이다.
즉, 실험2에서는 실험1과 비교하여 부호만 반대이고 극대, 극솟값의 절댓값은 비슷하게 측정되었다. 이는 자석의 극성만 반대로 하였기 때문에 발생한 결과이다.
1.3. 실험 3 - 전자기 유도 3
실험3 - 전자기 유도3
실험3에서는 코일을 통과하는 자석의 낙하 속도가 달라졌을 때 측정되는 유도 기전력의 변화를 관찰하였다. [그림 4]에서 볼 수 있듯이 실험1과 동일한 조건에서 자석의 낙하 높이만 증가시켰다. 이에 따라 자석의 낙하 속도가 빨라졌음을 알 수 있다.
[표 3]을 보면 실험3의 경우 극솟값이 -1.413V, 극댓값이 1.621V로 측정되었다. 이는 실험1에 비해 극솟값과 극댓값의 절대값이 더 크게 나타났다. 반면 (-) 면적과 (+) 면적은 실험1과 같은 0.036Vs로 측정되었다.
이러한 결과의 이유를 살펴보면 다음과 같다. 자석의 낙하 속도가 증가하면 동일한 자기선속 변화에 대해 더 짧은 시간 내에 변화가 발생한다. 이에 따라 유도 기전력 값의 최대와 최소값이 높아지게 되는 것이다. 하지만 자기선속 변화량 자체는 변화가 없기 때문에 면적 값은 동일하게 측정되었다.
즉, 자석의 낙하 속도가 증가하면 유도 기전력의 극대, 극소값은 더 큰 값이 측정되지만 자기선속 변화량은 일정하므로 면적은 변화가 없음을 알 수 있다. 이는 패러데이 법칙인 ε = -dΦ/dt에 의해 설명될 수 있다. 속도가 증가하면 시간 미분 항인 dΦ/dt의 크기가 증가하므로 유도 기전력 ε의 크기도 커지게 되는 것이다.
따라서 실험3의 결과를 통해 자석의 낙하 속도가 빨라질수록 유도 기전력의 크기가 증가하지만, 자기선속 변화량은 일정하다는 사실을 확인할 수 있었다.
1.4. 실험 4 - 전자기 유도 4
실험4 - 전자기 유도4
코일을 통과하는 조건은 실험3과 동일한 상황에서 코일의 감은 수만 변화시키며 그래프의 변화를 관찰한다. 이때 면적과 극대, 극솟값이 어떻게 변화하는지 살펴보면 다음과 같다.
코일의 감은 수가 증가함에 따라 유도 기전력의 크기도 비례하여 증가한다. [그림 6]과 [그림 7]을 비교해보면, 코일의 감은 수가 200회에서 1600회로 증가함에 따라 극솟값과 극댓값이 약 8배 정도 증가한 것을 확인할 수 있다. 또한 [표 4]를 통해 코일의 감은 수가 증가함에 따라 극솟값과 극댓값이 거의 정비례하여 증가...
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10