실험 4. 유도기전력

실험 4: 유도기전력(1) 유도 기전력 필요장비 인터페이스 750 + 전원 어댑터 + 연결 케이블 막대 영구자석(N극의 끝에는 홈이 파여져 있다)

실험 4: 유도기전력(2) 유도 기전력 필요장비(계속) AC/DC Electronic Lab 키트 DC Power Supply Voltage 센서 + Alligator클립

실험 4: 유도기전력(3) 목적 이 실험의 목적은 코일(감겨있는 전선)의 중심으로 영구 막대자석을 통과 시킬 때 유도 기전력 이 발생하는 것을 확인하고 그 양을 측정하는 것이다. 배경 감겨진 코일에 전류가 흐르면 코일의 주변(주로 중심에)에 자기장이 형성되는 것을 실험을 통하여 알 수 있다. 또한 그 반대로 감겨있는 코일의 내부를 통하여 자석을 빠르게 이동시키면 코일을 통과하는 자기력선의 수가 변화하면서 그 결과 코일에 기전력이 발생한다(그 결과 전류 가 흐르게 된다). 이를 ‘유도 기전력’이라고 한다. 그 크기는 다음의 식으로 계산할 수 있다. 위 식에서 E는 유도된 기전력이고 N은 코일의 감긴 횟수를 의미하며 은 시간에 대한 자기력선의 변화율이다. 이 실험에서 기전력의 변화를 시간에 대한 그래프로 그렸을 때(x축: 시간, y축: 기전력) 그래프와 x축사이의 면적은 다음 식에 의해서 자기력선의 크기를 나타냄을 알 수 있다.

실험 4: 유도기전력(4) 1. AC/DC Lab에 있는 코일에 전압을 가하여 전류를 흘린 후 금속 막대를 코일의 사이로 접근 시켜서 코일의 중심에 자장이 형성되어 있음을 확인한다. 2. AC/DC Lab에 있는 코일의 중심을 통하여 막대 자석을 떨어뜨리고 그 때 발생하는 기전력을 Voltage센서를 사용하여 측정하고 그래프를 그린다. 할 일 ① 인터페이스 750을 컴퓨터 USB포트에 케이블로 연결한다 . ② 인터페이스 750에 전원케이블을 연결하고 전원 스위치를 켠다. 실험 준비

첫 번째 실험은 컴퓨터를 사용하지 않고 AC/DC Lab 키트에 있는 코일에 DC 전류를 실험 4: 유도기전력(5) 첫 번째 실험: 전류에 의해서 유도되는 자기장 첫 번째 실험은 컴퓨터를 사용하지 않고 AC/DC Lab 키트에 있는 코일에 DC 전류를 흘려서 코일의 내부에 자장이 형성되는 되는 것을 눈으로 확인하는 간단한 실험이다. ① Power Supply에 전원코드를 오른쪽 그림과 같이 연결한다. ② Power Supply에 연결된 전선의 클립을 위의 그림과 같이 AC/DC Lab 키트의 코일이 연결된 단자에 물린다. (코일의 중심을 막고 있는 나사형 마개는 제거한다) +: 빨간색 -: 검정색

③ Power Supply의 Voltage(전압) 조절 손잡이를 돌려서 전압을 대략 10.0 volts 정도로 세트한다. 실험 4: 유도기전력(6) ③ Power Supply의 Voltage(전압) 조절 손잡이를 돌려서 전압을 대략 10.0 volts 정도로 세트한다. (전압 조절기 쪽의 녹색 LED램프에 불이 들어와 있는 것을 확인 할 것) 전압 조절 Knob 전압 미세조절 Knob Constant Voltage LED 중요: 전압을 조절하는 동안에 아래의 그림과 같이 전류조절기 쪽의 빨간 LED램프에 불이 켜지면서 전압이 더 이상 증가하지 않는 일이 발생할 수 있다. Power Supply는 허용된 최대 전류 이상이 흐르지 않도록 되어 있다(일종의 안전 장치). 따라서 현재의 전압에 의해서 회로에 흐르는 전류의 양이 지정된 최대치를 넘으려고 하면 더 이상 전압이 증가하지 안는다. 이 경우 지정된 최대치의 전류가 흐르고 있음을 알리기 위하여 아래의 그림과 같이 CC(Constant Current) LED에 불이 들어온다. 이런 일이 발생하면 아래그림의 왼쪽에 있는 전류 조절 Knob를 사용하여 최대 전류 값을 증가 시켜주어야 한다(강사의 지시에 따를 것).

아래 사진의 왼쪽 이미지와 같이 강철 막대(AC/DC Lab 키트에 포함되어 실험 4: 유도기전력(7) 아래 사진의 왼쪽 이미지와 같이 강철 막대(AC/DC Lab 키트에 포함되어 있음)를 코일의 중심에 가까이 갖다 대면서 강철막대가 자력에 의해서 당겨지는 것을 확인한다. 강철막대(자석이 아님) 아래 사진의 가운데 이미지와 같이 강철 막대를 완전히 집어 넣은 후 손을 뗀다. 강철막대가 오른쪽 이미지와 같이 공중에 떠 있는 것을 확인한다. Power Supply의 전압을 미세하게 조절하면서 강철막대가 오르내리는 것을 관찰하고 전압(전류)에 비례하여 자력의 세기가 변함을 확인한다. ⑦ Power Supply의 전압을 내리고 전원을 끊다. 코일의 덮개 나사로 코일의 중심을 막는다. 주의: 이 상태에서 오랫동안 두면 코일이 뜨거워지고 손상될 수 있으므로 실험을 끝나면 바로 Power Supply의 전압을 내리고 전원을 끊다.

실험 4: 유도기전력(8) 두 번째 실험: 자석에 의해서 유도되는 기전력(전류) ① 인터페이스 750을 컴퓨터 USB포트에 케이블로 연결한다 . ② 인터페이스 750에 전원케이블을 연결하고 전원 스위치를 켠다. 실험 준비

③ 전압센서의 DIN 플러그를 그림과 같이 인터페이스 750의 ‘아날로그 채널 A’ 에 연결한다. 실험 4: 유도기전력(9) ③ 전압센서의 DIN 플러그를 그림과 같이 인터페이스 750의 ‘아날로그 채널 A’ 에 연결한다. ④ 전압센서 바나나 플러그에 Alligator클립을 끼운다. (Alligator클립 분실 주의) 빨간색 검정색 ⑤ 전압센서의 alligator 클립을 아래의 그림과 같이 AC/DC Lab의 코일에 연결된 단자에 물린다.

⑥ AC/DC Lab 키트를 오른쪽 그림과 같이 테이블의 끝에 걸친 모습으로 위치시켜서 코일의 중심을 실험 4: 유도기전력(10) 코일이 테이블 밖으로 나오고 코일의 밑에는 충격완화용 박스를 놓아야 한다. ⑥ AC/DC Lab 키트를 오른쪽 그림과 같이 테이블의 끝에 걸친 모습으로 위치시켜서 코일의 중심을 통하여 자석을 떨어뜨린 수 있도록 배치한다. ⑦ 주의: AC/DC Lab 키트의 코일의 중심을 통하여 자석을 떨어뜨리면 자석이 바닥에 부딪혀서 부러질 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위하여 오른쪽 그림과 같이 코일의 중심을 통하여 자석이 떨어지는 위치에 상자를 놓고 그 안에 옷 가지 등을 정확한 위치에 놓아서 떨어지는 자석을 보호할 수 있도록 한다. ⑧ PC에서 DataStudio 프로그램을 실행한 후 실험데이터 (P30 Induction.ds)를 읽어 들인 후 Setup창에서 아래의 내용들을 확인한다.(제공된 CD에 있는 파일을 사용할 것) 전압이 0.05v이상이면 측정 시작 0.4초 후 자동 종료 전압센서가 연결되어 있음 전압을 측정함

(자석을 떨어뜨리는 사람, 컴퓨터 Start버튼을 누를 사람) 실험 4: 유도기전력(11) S극이 아래로 향하도록 잡는다. (코일과의 간격은 2cm 정도) 데이터 측정 적어도 두 명의 팀원이 필요하다 (자석을 떨어뜨리는 사람, 컴퓨터 Start버튼을 누를 사람) ① 한 명이 손으로 막대 자석을 잡고 오른쪽 그림과 같이 코일 중심의 위에 위치시킨다. (코일의 중심과 막대 자석의 S극이 2cm 떨어지도록 잡는다) ② 다른 한 명이 DataStudio의 Start버튼을 누른다. ③ 자석을 잡고 있던 사람은 Start버튼이 눌린 직후 잡고 있던 자석을 코일의 중심을 통과하여 떨어뜨린다. (데이터 측정이 0.4초 후에 자동으로 종료되므로 시간을 끌면 안 된다) ④ 오른쪽과 같은 그래프가 그려진 것을 확인한다. ⑤ ①부터 ④까지의 과정을 다음과 같이 반복한다. ο 두 개의 자석을 같은 극끼리 겹치도록 묶어서 사용. ο 두 개의 자석을 다른 극끼리 겹치도록 묶어서 사용. 총 3 개의 그래프를 그린다.

실험 4: 유도기전력(12) ① 시간에 대한 전압의 그래프 곡선과 x축으로 둘러싸인 부분의 면적을 구한다. (방법) 오른 쪽 그림과 같이 그래프 창의 메뉴도구버튼 중 (통계버튼)의 오른쪽 에 있는 아래로 향한 작은 삼각형을 클릭 하면 통계 항목을 선택 할 수 있는 Dropdown 메뉴가 열린다. 이 통계 메뉴 에서 맨 밑의 Area를 선택한다. 그러면 오른쪽 아래의 그림과 같이 곡선 아래쪽의 부분에 색깔이 칠해진 형태로 바뀌고 동시에 면적이 구해져서 화면에 출력된다. 데이터 분석

③ 첫 번째 peak의 면적을 읽어서 메모장에 기록한다. 실험 4: 유도기전력(13) 첫 번째 Peak 두 번째 Peak 오른쪽의 그래프에는 아래 위로 향한 두 개의 peak가 있다. 현재 측정된 면적은 두 개의 면적의 합이다. 첫 번째 peak의 면적만을 구하기 위하여 마우스로 첫 번째 peak를 완전히 둘러싸는 사각형 영역을 아래의 그림과 같이 훑어서 선택한다. 마우스로 흝어서 선택 선택한 곳의 면적 ③ 첫 번째 peak의 면적을 읽어서 메모장에 기록한다. ④ 이 번에는 두 번째 peak를 선택하여 그 면적을 계산한 후 그 값을 메모장에 기록한다.

-끝- 실험 4: 유도기전력(14) ①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮ 실험결과 보고서 다음의 설명대로 보고서를 작성하여 제출한다. ① 첫 번째 실험에서 코일에 전류를 흘렸을 때 어떤 현상이 발생하였는지 기술하라 ② 첫 번째 실험에서 전압이 충분히 높을 때 강철막대가 코일의 중심 내부에 떠 있다는 것을 증빙할 수 있는 근접촬영 사진을 찍어서 보고서에 첨부하라. (사진의 배경에 팀원 중 적어도 한 명의 얼굴이 보여야 한다) ③ ‘Coil Gun’ 을 인터넷에서 검색하여 알아본 내용을 그림(사진)과 함께 설명하라. ④ 두 번째 실험에서 코일의 중심을 통하여 자석을 떨어뜨렸을 때 무슨 현상이 발생하였는지 기술하라. ⑤ 두 번째 실험의 그래프에서 peak가 두 개 있는 이유가 무엇이라고 생각하는지 설명하라. ⑥ 두 번째 실험의 그래프에서 두 번째 peak가 첫 번째 peak보다 좁고 높은 이유는 무엇이라고 생각하는지 기술하라. ⑦ 두 번째 실험의 그래프에서 두 개의 peak의 방향이 다른 이유는 무엇 때문이라고 생각하는지 기술하라. ⑧ 두 번 째 실험에서 세 번의 데이터를 측정하고 각각의 그래프를 그렸다. 각 그래프에 있는 두 개의 peak의 면적의 값을 오른쪽과 같은 표로 그려라 사용한 자석 첫 번째 pk면적 두 번째 pk면적 N------S NN----SS NS----NS ⑨ 그래프의 Peak의 면적은 어떤 물리량을 나타내는가 설명하라. ⑩ 세 개의 그래프를 컴퓨터 화면에서 캡쳐하여 보고서에 첨부하라 -끝-