Condenser를 이용한 Coulomb’s law s21@postech.ac.kr 2006/09/24 modified for break time. 일반 물리 실험 2006 가을학기 Physics @ POSTECH
실험 목적 Charged Condenser 내부에 나타나는 힘을 여러 가지 조건하에서 살펴보고 Coulomb’s law를 간접적으로 확인 일정한 voltage에서 두 극판 사이의 거리를 바꾸며 힘 측정 일정한 두 극판 사이의 거리에서 극판 사이의 전압을 바꾸며 힘 측정
이론(1) Coulomb’s law Capacitance d : 두 콘덴서 사이의 거리 A : 콘덴서의 단면적 콘덴서는 도체이므로 양쪽 콘덴서표면에 전하가 존재하고, 가우스 법칙을 이용하여 한쪽 콘덴서에서 만드는 전기장을 구할수 있고, 이 전기장이 다른쪽 콘덴서의 전하에 작용하는 힘을 구한다. d : 두 콘덴서 사이의 거리 A : 콘덴서의 단면적
이론(2) Gauss’ law 전기장 하에서 전하가 받는힘 아래 Condenser 판이 받는 힘 가우스 법칙으로 전기장을 구한다.
장치 및 장비 직류 고압 전원 장치 0-15kV, 1mA 이하 전자 저울 1g 이하 측정 범위, 0.5g 표시 평행 콘덴서판 및 설치 장치(micrometer 부착) 고압 연결 선
실험 방법(1) ⑴ 전원 장치의 스위치는 OFF 상태로 있어야 한다. 전원 장치의 스위치를 ON으로 하기 전에 전압 조정 손잡이를 최소로 하여 둔다. ⑵ 전자 저울의 수평을 잡고 전극 판의 아래 면과 전자 저울의 물건을 올리는 판 사이에 절연판을 설치한다. (용기)라고 표기된 것을 눌러 무게를 0으로 맞춘다. ⑶ 전원 장치의 출력 단자와 콘덴서 판을 연결한다. + 을 위 - 는 아래의 극 판에 연결한다. ⑷ 두 극판 사이의 거리를 Micrometer를 사용하여 정하고 거리가 판 전체에 걸쳐서 일정한 가를 육안으로 확인한다. 판이 휘어 있거나 극판 사이의 거리가 다르게 되면 일정하게 한 후에 전압을 가한다.
실험 방법(2) ⑸ 전원 장치를 켜고 전압을 서서히 증가시켜 측정하고자 하는 전압으로 맞춘다. 전자 저울에 나타나는 값을 측정한다. ⑹ 극 판 사이의 거리를 변화시키기 위하여 전원 장치의 전압 조정 손잡이를 최소로 한후 -단자를 +극판에 short시켜 condenser에 남아 있는 charge를 없애주고 거리를 변화시키고 위와 같은 요령으로 측정을 계속한다. ⑺ 거리를 일정하게 하고 전압을 변경시키는 경우에는 위의 방법에는 일정한 거리를 유지하고 전압과 전자 저울의 값을 기록하면 된다. ⑻ 다른 극판에 대해서도 위와 같은 실험을 반복한다.
실험 결과 및 분석(1)
실험 결과 및 분석(2) 1/ F ~ d2 에 대한 그래프 1/힘 ~ 거리제곱
실험 결과 및 분석(2) 2번 그래프를 보면 이론 값이 실제 Coulomb’s law에 만족함을 알수 있다. Error bar는 거리가 가까울때 외부 환경에 대한 전하의 이동으로 거리가 멀때는 거리 차에 대한 효과로 오차의 크기가 커진다. Trend line의 공식으로 미루어 condenser에서 dielectric constant이 대략 0.1267임을 알수 있다.
실험 결과 및 분석(3)
실험 결과 및 분석(4) 전압2 과 힘
실험 결과 및 분석(4) 이론 에 대하여 이론치와 전압이 증가 할수록 오차가 커진다.
주의 사항 고압은 10,000V에 10mm 정도의 거리를 튀어서 넘어가므로 높은 전압을 매우 작은 거리에서 공급하기 어려운 점이 있다. 특히, 습도가 높으면 공기 중을 통하여 전압이 새어나가게 되므로 전극에 높은 전압을 걸어주는 자체가 어려울 때도 있다. 즉 전원 장치의 전류공급 능력이 부족하면 공기 중으로 새어 나가는 아주 낮은 전류에 의해서도 높은 전압을 얻기 어렵게 된다. 전극 사이의 거리가 너무 가까우면 양극전극 사이에서 스파크가 발생한다. 이때 전자 저울에 영향을 미칠 수 있으므로 극판 사이에서 스파크가 발생하지 않도록 주의해야 한다. 또한, 높은 전압에 의하여 전기적 쇼크를 받을 수 있으므로 전원장치의 + 전극은 주의해서 취급해야 한다. 그러나 전류가 많이 흐르지 않는 관계로 위험하지는 않다. 전원 장치의 최대 전류공급 능력 1mA 정도이다. 두 콘덴서가 평행하게 놓이도록 한다.