물리학 실험 예비 보고서_02. 등전위실험_Ver1_200523_R0

1.실험제목

등전위 실험

 

2.실험목적

전기장이 형성된 수조 안에서 전극의 형태에 따른 등전위선의 모양 및 전기장의 방향을 측정하여 전기장의 개념을 이해한다. 공간적으로 장이 형성되는 모양을 확장하여 생각해 보고 우리가 살고 있는 실 공간에 무수히 얽힌 전기장 및 자기장, 중력장 등의 모양을 상상해 본다.

 

 

3.기본이론

1) 전기장

전기장이란 대전체 주위의 전기적인 힘이 미치는 공간으로써, 전위차를 가지는 두 전극 사이에서는 언제나 존재한다. 전기장 내의 한 점에 단위양전하를 놓았을 때 작용하는 힘을 그 점에 대한 전기장의 세기라고 하며, V/m 이라는 단위로 표시한다. 전기장의 세기는 크기와 방향을 가지는 벡터량으로, 크기는 일정한 거리에 대한 전위차에 비례하며, 방향은 전위가 낮아지는 방향으로 향한다.

 

 

2) 전기력선

공간에 곡선을 가상하고 그 곡선 위의 모든 점에서의 접선방향이 그 점에서의 전기장 방향과 일치하는 곡선. 전기장을 E x ·E y ·E z 라고 하면 전기력선의 방정식은

 로 주어진다. 전기력선의 밀도는 전기장에 비례하며, 양전하로 시작해서 음전하로 끝난다. 또한 전기력선은 같은 전위면과 직교한다.

 

 

3) 등전위면(등전위선), 전위

 전기장내에서 전위가 같은 점을 연결할 때 이루어지는 곡면. 일반적으로 전하는 전기장 E속에 놓이면 힘 qE를 받기 때문에 위치 에너지를 갖는다. 이때 단위 양전하에 대한 위치에너지를 전위라 한다. 따라서 같은 전위의 점들이 이루는 선을 등전위선이라 하며 면을 이루면 등전위면이라 한다.

 

 

점전하 q'에 의한 점 P에서의 전위는

 로 표시된다. (r은 점 P와 점전하 q' 사이의 거리). 또 이 등전위면은 r = 일정, 즉 점전하 q‘를 중심으로 하는

 

구면을 나타낸다. 점전하 q'를 원점으로 하는 좌표축 0-xyz를 취하고, 0-xy면 내의 전위를 세로축에 전위 V를

 

잡아 [그림 1] 과 같이 나타낼때, 등전위면은 전위에 대하여 등고선이 된다. 따라서 등고선의 간격이 좁은 곳일 수록 전위기울기가 급하고 전기장이 강하다. 또 전기력선의 방향은 곧 전기장 벡터의 방향과 같으므로, 전기장 벡터는 항상 등전위면에 수직이다. 즉 전기력선과 등전위면은 항상 수직으로 교차한다. 만약 도체판 사이 두 점 사이에서 전류가 흐르지 않는다면 이 두 점은 등전위면 상에 있는 점이다. 그림은 평행인 무한히 긴 철사로 전위차를 주었을 때의 등전위면을 나타낸다.

 

 

4.참고문헌

1) 김기식외 15인, 대학물리학, (인하대 출판부, 인천, 1999)

2) 공하성, 오성균, 유용희 공저 <<전기이론>>. 성안당

3) 김의균, 박세환 공저 <<신 전자기학>>. 도서출판 기한재

 

5.기구 및 장치

1) 등전위선 장치 set (수조판, 고정전극 (3종), 고정단자와 이동단자)

2) 검류계(25uA)

3) DC 전원 장치 (1.5-12V)

4) 등전위선용 용지 (3장/조별)

 

6.실험방법

1) 수조판(등전위선장치 set 뚜껑)에 전도용액(물)을 적당량 붓고 고정 단자용 원판에 나사식 단자를 돌려 끼운다.

2) 전원 장치로부터 +-전극을 고정전극에 연결하고, 수조의 전극위치 그림에 맞추어 고정전극을 올려 놓는다.

3) 어느 한 지점의 등전위 점들을 찾기 위해 고정단자를 측정하려는 지점에 위치시킨다.

4) 전류계의 바늘이 정 중앙(0 위치)에 위치 하도록 영점 조정을 한다.

5) 회로를 연결하고 전원장치의 전압을 약 10V 정도로 가하여 이동단자를 수조상에서 이동하며 전류가 흐르지 않는 지점(전류계 바늘이 0 위치) 들을 잡아 용지상에 표시해간다.

 

6) 고정 단자를 다른 위치에 놓고 반복하여 등전위 점들을 찾는다. (10개 정도의 등전위선을 얻는다.)

7) 고정전극의 모양을 바꾸어 (2)-(6)의 실험 과정을 반복한다.

8) 만약 원판(disk)이나 환(ring)모양의 도체를 수조상에 놓으면 등전위선들은 어떤 모양으로 변하는가? 또 원판 상의 점들, 환 내부의 점들은 어떻게 되는가?