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자기장 변화에 의한 전자기유도

학 과학 번이 름실 험 일제 출 일메카트로닉스5536976홍 성 현11 / 2211 / 28자기장 변화에 의한 전자기 유도1. 실 험 결 과(1) 코일 지나기 전(2) 코일 지난 후(3) 자석 방향 바꿔서 코일 지나기 전(4) 자석 방향 바꿔서 코일 지난 후(5) 흔들리는 코일2. 생 각 해 보 기1. 곡선의 면적이 나타내는 물리적인 의미는 무엇인가?- x축이 나타내는 시간과 y축이 나타내는 유도기전력의 곱으로 곡선의 면적을 나타낼 수 있다. 그런데 여기서epsilon =-N {d phi } over {dt} 이므로 면적이 나타내는 값은-Nd phi 이다. 의미는 고리가 N번 감겨 있는 회로의 자기선속변화율이다. 이때 ?가 나타나는 이유는 ‘유도’기 때문에 자기선속의 변화량의 음의 값으로 작용하기 때문이다.2. 들어오는 선속은 나가는 선속과 같은가?- 들어온 선속과 나가는 선속이 같다. 가우스 법칙에서 전기력선의 성질에 의하면 폐곡면 내부에 전하가 하나도 없으면 들어온 전기력선은 그대로 나가기 때문이다.3. 나가는 피크가 들어오는 피크보다 높은 이유는 무엇인가?- 자석이 가속도가 일정한 등가속도 운동을 하게 되는데, 시간이 지날수록 속도가 증가하므로 시간 변화량이 줄어들게 된다. 그러므로 나가는 피크가 들어오는 피크보다 시간변화량이 작기 때문에 피크가 높다.4. 피크의 방향이 왜 반대인가?- 유도기전력에 의한 전류는 코일을 통과하는 처음 선속의 변화에 반대하는 선속이 만들어지는 방향으로 자기장이 유도 된다는 렌츠의 법칙에 의해 피크의 방향이 반대로 측정된다.5. 두 개의 막대자석을 같은 방향으로 해서 묶은 다음 낙하시키면 어떻게 되겠는가? 또는 다른 극끼리(N극과 S극) 같이 묶어서 낙하하는 경우는?- 두 막대자석을 같은 방향으로 해서 묶은 다음 낙하시켜epsilon =-N {d phi } over {dt}를 적용하면, 단위시간당 코일을 통과하는 자기력선의 수가 많아져, 유도기전력이 더 커져 피크가 높아질 것이다. 다른 극끼리 묶어서 낙하시킨다면 자기장의 세기가 작아져, 유도기전력의 크기도 작아져 피크가 낮아질 것이다. 만약 똑같은 자기장 세기를 가진 자석 두 개를 다른 극끼리 묶어 떨어뜨린다면 유도기전력은 0이 나올 것이다.6. 코일에 자석을 떨어뜨리는 앞의 실험과 반대로 자석은 고정시키고, 코일을 흔들어주는 경우, 코일에서의 전압은 어떻게 변화하는가?-epsilon =-N {d phi } over {dt} 에서코일을 감은횟수 N은 일정하고 자기선속의 변화량도 같은 자석을 사용하기 때문에 일정하다. 즉 전압과 시간변화량의 곱은 반비례 관계에 있다. 따라서 코일을 빨리 흔들어 주는 경우 시간변화량이 줄어들어 전압이 비교적 커지고, 느리게 흔들어 주는 경우 시간변화량이 늘어나 전압이 작아진다.3. 고 찰- 이번 실험에서는 코일을 이용하여 자기장을 유도하는 실험을 하였다. 기전력 원과 연결되지 않은 코일의 내부에 자석이 통과하게 되면 코일에 유도 기전력이 형성되고 전류가 흐르게 된다. 회로에 고리가 N번 감겨 있고 각 고리를 통과하는 자기 선속이 시간 ?t동안 ?Φ만큼 변하면

자연과학| 2018.12.05| 4페이지| 1,000원| 조회(339)

물리, 메카트로닉스, 전자기 유도, 코일, 자기장 변화, 흔들리는 코일

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헬름 홀츠코일 평가B괜찮아요

학 과학 번이 름실 험 일제 출 일메카트로닉스5536976홍 성 현11 / 1411 / 22헬 름 홀 츠 코 일1. 실 험 결 과(1) 코일 사이의 거리가 0.5R일 때 자기장(2) 코일 사이의 거리가 1R일 때 자기장(3) 코일 사이의 거리가 2R일 때 자기장(4) 헬름홀츠 코일 1개를 사용한 그래프(5) 전류의 방향을 반대로 한 그래프2. 생 각 해 보 기1. 전류가 흐르는 코일 주변에 만들어진 자기장의 세기는 코일의 전류에 어떻게 의존할까?- 헬름홀츠 코일은 각각 같은 반지름 R을 가지는 원 모양으로 되어있는 코일이며, 보통 L만큼 떨어져서 같은 축 상에 서로 평행하게 놓인다. 두 코일의 중간 지점에서 축을 따라 놓인 자기장은B= {8 mu ?N`I} over {sqrt {125} R} (u0는 자유공간에서의 투자율, R은 코일의 반지름, N은 하나의 코일에서 감긴 횟수) 로 표현할 수 있으며, 코일 주변에 만들어진 자기장의 세기는 코일의 전류에 비례한다. 즉, 코일에 가까워질수록 전류는 세지고 멀어질수록 감소하므로, 코일에 가까워질수록 전류의 세기가 세져서 자기장의 세기는 증가한다는 것을 알 수 있다.2. 하나의 Helmholtz 형 코일에 전류가 흐를 때 코일 중심축 방향으로 거리가 멀어질 때 자기장의 세기는 어떻게 변화하는가?-B= {8 mu ?N`I} over {sqrt {125} R} 에서 알 수 있듯이 헬름홀츠형 코일에서는 흐르는 전류에 의해 가까워질 때에 자기장의 세기가 증가하다가 멀어질 때는 자기장의 세기가 감소한다.3. 두 개의 Helmholtz 형 코일 사이의 축 방향 자기장의 세기가 일정하게 하려면 두 코일 사이의 거리를 얼마로 하여야 하는가?- 위의 실험 그래프에서도 나타나듯이 헬름홀츠 코일의 거리를 R로 했을 때 R/2과 2R로 했을 때보다 평탄한 구간이 더 오래 나타난 것을 확인할 수 있다. 두 코일 사이의 거리를 코일의 반지름과 같은 R로 두어야 자기장의 세기가 일정하다.4. 두 Helmholtz 형 코일 사이의 자기장이 일정한 비율로 변화하도록 하기 위해 두 코일에 흐르는 전류의 방향을 어떻게 하여야 하는가?- 두 헬름홀츠 형 코일 사이의 자기장이 일정한 비율로 변화하도록 하기 위해서는 두 코일에 흐르는 전류의 방향을 반대로 걸어줘야 한다.5. 두 Helmholtz 형 코일 사이에 축 방향 자기장의 세기가 일정할 때, 이 코일 사이에 중심축과 수직하게 입사한 하전입자의 운동궤도는?- 코일 사이에 중심축과 수직하게 입사한 하전입자의 운동 궤도는 시계방향으로 원운동을 하게 된다. r=m*v/q*B (r=반지름, m=질량, v=속도, B=자기장, q=전하의 크기)식을 적용할 수 있다. B가 균일하게 형성되어 있을 때에는 그 크기가 변하지 않으므로, v가 일정한 등속 운동을 하게 된다. 이 문제에서는 두 헬름홀츠 형 코일 사이에 축 방향 자기장의 세기가 일정하므로, 항상 전자는 진행방향에 수직으로 일정한 힘을 받는다는 것을 의미한다. 즉, 이 코일 사이에 중심축과 수직하게 입사한 하전입자의 운동궤도는 등속원운동을 나타낸다.6. 위의 경우 중심축에 비스듬하게 입사한 하전입자의 운동 궤도는?- 입자가 일정한 자기장 B 에 각 θ로 비스듬히 입사하게 되면, 자기장에 평행한 속도 성분 vx=vcosθ에 의해서는 전자기력을 받지 않으므로 등속 직선 운동을 하게 된다. 자기장 B에 수직한 속도 성분 vy=vsinθ는 F=qvBsinθ의 로렌츠 힘을 받아 등속 원운동을 하게 된다. 따라서 중심축에 비스듬하게 입사한 하전입자의 운동궤도는 나선 운동을 하게 된다.3. 고 찰? 이번 실험은 헬름홀츠 코일의 방향과 거리에 따른 자기장의 세기에 대해 알아보는 실험이었다. 헬름홀츠 코일은 각각 같은 반지름 R을 가지는 한 쌍의 코일이고, 두 코일은 보통 거리 L만큼 떨어져서 같은 축 상에 서로 평행하게 놓인다. 코일의 중간 지점에서 축을 따라 놓인 자기장은B= {8 mu ?N`I} over {sqrt {125} R} (u0는 자유공간에서의 투자율, R은 코일의 반지름, N은 하나의 코일에서 감긴 횟수)로 식을 정리할 수 있다. 전류가 흐르는 코일 주변에 만들어진 자기장의 세기는 코일에 흐르는 전류가 커질수록 더 커진다. 즉, 코일에 가까워질수록 전류는 세지고 멀어질수록 감소하므로, 코일에 가까워질수록 전류의 세기가 세져서 자기장의 세기는 증가한다는 것을 알 수 있었다. 실험을 하기 전 주의 해야할 것은 일정한 속력으로 자기장 센서를 이동시키는 것과 Tare버튼을 꼭 눌러줘야 한다는 것인데 지구에는 항상 자기장이 존재하고 있기 때문이다. 또한 실을 느슨하게 해서는 안되고 당겨서 팽팽하게 하고, 돌아가는 부분 중 가장 큰 곳에 감아야하는데, 실과 평행을 맞추기 위해서라고 생각된다. 위 실험에서 알 수 있듯 두 코일 사이의 거리가 R/2일 때와 2R일 때 실험하여 나온 결과 그래프보다, R일 때의 실험 결과 그래프가 거의 좌우대칭을 이루며, 축 방향 자기장의 세기가 더 일정하다는 것을 알 수 있었다. 4번째 전류를 반대로 한 실험에서는 그림을 보면 자기장의 크기가 마이너스 쪽으로 간 것을 볼 수 있는데 이는 한쪽에서는 자기장이 나가고 한쪽에서는 자기장이 들어가기 때문이라고 유추해 낼 수 있었다. 5번째 실험에서는 최고 자기장이 0.0004 로 다른 실험보다 자기장이 낮게 나타난 것을 확인할 수 있었다. 거리를 2R로 둔 실험은 피크가 같아야 하고, R로 둔 그래프는 평탄한 지역이 더 나타나야 하는데 실험에서는 속도를 같게 당기지 못하고, 봉이 고정되지 않고 흔들렸을 뿐만 아니라, 자기장센서가 지나가는 통로를 바닥과 평행하게 하지 못하여 깔끔한 그래프가 못 나온 것 같다.

공학/기술| 2018.11.28| 5페이지| 1,000원| 조회(137)

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