실험 1. 정전기

실험 1: 정전기(1) 정전기실험 필요장비 인터페이스 750 + 전원 어댑터 + 연결 케이블 Charge센서와 연결코드

실험 1: 정전기(2) 정전기실험 필요장비(계속) Faraday IcePail Charge Producer (정전기 발생기)

실험 1: 정전기(3) 목적 이 실험은 정전기로 대전된 물체를 다른 물체에 접촉 시키거나 혹은 가까이 접근 시켰을 때 상대방 물체에 발생하는 정전기적인 변화를 관찰함으로써 정전기의 성질을 이해하는 것을 목적으로 한다. 배경 모피로 문지른 두 개의 고무막대를 실로 묶어서 공중에 매단 후 가까이 가져가 보면 서로 밀어 내는 것을 볼 수 있다. 비단으로 문지른 유리막대끼리도 서로 밀어낸다. 그러나 이런 유리막대와 고무막대를 가까이 하면 서로 잡아당긴다는 것을 실험을 통해서 알 수 있다. 이런 실험을 여러 종류의 물체에 행하면서 서로 밀쳐내는 물체끼리 같은 그룹으로 분류해보면 단 두 개의 그룹으로 나뉘는 것을 알 수 있다. 이 두 개의 그룹에 속한 물체들은 같은 그룹의 물체끼리는 서로 밀어내고, 다른 그룹의 물체끼리는 서로 잡아당긴다. 이런 현상을 공부하는 사람들은 이 두 그룹을 양(+), 음(-)로 이름 지었다. 비단 조각에 유리막대를 문질렀을 때 유리막대가 속하게 되는 그룹을 양(+)의 그룹으로 정하였다. 이 때 이 유리막대를 문지른 비단 조각은 음(-)의 그룹에 속하게 되는 것을 알 수 있다. 즉, 서로 문지른 두 개의 물체는 하나가 양의 그룹에 속한다면 다른 하나는 음의 그룹에 속하게 되는 것이다. 이를 통하여 연구자들은 두 개의 물체가 서로 접촉하면 어떤 특성을 가진 물질이 물체 사이를 이동한다고 가정하였다. 이 후 이동하는 물질이 전자라는 것을 알게 되었다.

실험 1: 정전기(4) 할 일 정전기 발생기에 생성된 전하의 극성을 Charge 센서를 사용하여 측정한다. 대전체를 다른 물체에 접촉하여 전하의 이동을 관찰한다. 대전체를 다른 물체에 접근시켰을 때 상대 물체에 전하가 유도되는 현상을 관찰한다. ① 인터페이스 750을 컴퓨터 USB포트에 케이블로 연결한다 . ② 인터페이스 750에 전원케이블을 연결하고 전원 스위치를 켠다. 실험 준비

③ Charge센서를 오른쪽 그림과 같이 Analog Channel A에 연결한다. 실험 1: 정전기(5) ③ Charge센서를 오른쪽 그림과 같이 Analog Channel A에 연결한다. ④ 센서의 BNC케이블에 연결 케이블을 오른쪽 그림과 같이 갖다 대고 누른 후 오른쪽으로 ¼바퀴 돌려서 연결한다. 돌려서 고정 ⑤ 센서 케이블의 끝에 달린 악어이빨 클립을 Ice Pail에 왼쪽의 그림과 같이 물린다. (안쪽: 빨간색, 바깥쪽: 검정색) 안쪽: 빨간색 바깥쪽: 검정색

실험 1: 정전기(6) ⑥ 컴퓨터에서 DataStudio프로그램을 실행 한 후 실험데이터 파일 (P29 Charge.ds)를 읽어 들인다. (주의: 하드디스크에 있는 파일은 다른 팀이 실험한 내용으로 바뀌어 있을 수 있으니 항상 CD에 있는 원본파일을 사용할 것) ⑦ DataStudio프로그램의 창에 오른쪽 그림과 같은 메터박스가 있는 것을 확인하라. (이 박스가 있는 것이 꼭 중요한 것이 아니라 이 박스가 없다는 것은 다른 파일을 읽어 들였거나, 현재 읽어들인 실험 파일이 원본이 아님을 의미할 수 있다) Ground Ice Pail (중요) Ground Ice Pail은 그림과 같이 두 개의 원통형 망으로 구성되어 있는데 안쪽의 것을 Ice Pail 바깥 쪽의 망을 실드(Shield)라고 한다. 실험을 진행하다 보면 안과 밖의 전하 분포가 달라지게 되는데 이를 평형상태로 만드는 것을 Ground라고 한다. 실험도중 Ice Pail을 Ground(접지)한다는 표현이 나오면 그것은 왼쪽의 그림과 같이 손가락으로 안과 밖의 원통 망을 동시에 접촉하는 것을 의미한다.

⑧ DataStudio프로그램에서 Setup버튼을 누른 후 아래와 같은 창이 나타나면 다음의 내용을 확인하라. 실험 1: 정전기(7) 센서가 연결되지 않은 경우의 이미지 ⑧ DataStudio프로그램에서 Setup버튼을 누른 후 아래와 같은 창이 나타나면 다음의 내용을 확인하라. Charge센서가 인식되고 있음 (인식되지 않는 경우 그림 옆에 느낌표 가 보이고 연결버튼이 보일 것이다) 전압과 전하량이 동시에 측정됨 ⑨ 아래의 그림과 같은 것을 확인하고 Setup창을 닫는다. (다른 점을 발견하면 강사에게 문의하여 해결한다.)

실험 1: 정전기(8) 첫 번째 실험: Charge Producer(정전기 발생기)의 극성 확인 실험 ① Ice Pail을 Ground(접지)하고, Charge센서의 Zero버튼을 눌러서 센서를 초기화 한다. ② DataStudio프로그램의 Start버튼을 눌러서 측정을 시작한다.

실험 1: 정전기(9) ③ 흰색과 파란색(청색)의 Charge Producer(정전기 발생기)를 아래 왼쪽 그림과 같이 잡고 빠르고 부드럽게 여러 번 문지른다.(처음 사용할 때에는 20회 정도, 사용 한지 얼마 안된 경우에는 10회 이내) (마찰부위의 표면 색이 검정색으로 보이는 것을 자세히 보면 짙은 청색임을 알 수 있다) 올바른 방법: 둥근 접촉면이 전체적으로 맞닿도록 하여 문지른다 잘못된 방법: 각이 지도록 세워서 문지르면 정전기가 발생하지 않고 표면이 상할 수 있다.

실험 1: 정전기(10) ④ Ice Pail(안쪽 원통)의 벽을 건드리지 않는 상태에서 흰색 Charge Producer를 원통의 내부로 들이민다. 그 상태에서 DataStudio창의 메터박스의 바늘이 가리키는 값을 읽는다. (만약 실수로 망의 벽에 닿은 경우에는Stop버튼을 눌러서 실험을 중단하고 ①번부터 실험을 다시 한다). ⑤ 흰색 Charge Producer를 빼 내고 이번에는 청색 Charge Producer를 들이민다. 역시 화면의 메터기의 값을 읽어둔다. ⑥ 청색 Charge Producer를 빼 내고 Stop버튼을 눌러서 측정을 마친다.

⑦ 아래 그림과 같이 생성된 데이터(Run #1)를 마우스로 끌어서 Display의 Graph에 붙여넣기 하면 실험 1: 정전기(11) ⑦ 아래 그림과 같이 생성된 데이터(Run #1)를 마우스로 끌어서 Display의 Graph에 붙여넣기 하면 아래 그림의 가운데와 같은 그래프창이 나타난다. 위의 그래프는 전압의 차이의 변화를 나타내고, 아래의 그래프는 전하량의 변화를 보여주고 있다. 그래프의 값은 달라도 모양은 같다. 흰색을 넣었을 때 마우스로 끌어서 붙인다 마우스로 끌어서 붙인다 청색을 넣었을 때

실험 1: 정전기(12) 두 번째 실험: 흰색 Charge Producer(정전기 발생기)의 전하량 측정 ① Ice Pail을 Ground(접지)하고, Charge센서의 Zero버튼을 눌러서 센서를 초기화 한다. ② DataStudio프로그램의 Start버튼을 눌러서 측정을 시작한다. ③ 흰색과 파란색(청색)의 Charge Producer(정전기 발생기)를 빠르고 부드럽게 여러 번 문지른다. ④ 흰색 Charge Producer(정전기 발생기)를 안쪽의 원통 내부로 들이민 후 원통의 벽에 대고 2,3번 가볍게 문지른다. ⑤ 잠시 후 Stop버튼을 눌러서 측정을 끝낸다. ⑥ 앞 페이지의 그림과 같이 측정된 데이터를 마우스로 끌어서 전압과 전하량의 그래프가 그려지는 것을 확인하고 관찰한다.

세 번째 실험: 청색 Charge Producer(정전기 발생기)의 전하량 측정 실험 1: 정전기(13) 세 번째 실험: 청색 Charge Producer(정전기 발생기)의 전하량 측정 두 번째 실험과 똑같은 실험을 이번에는 청색 Charge Producer를 사용하여 한 번 더 실행한다. ① Ice Pail을 Ground(접지)하고, Charge센서의 Zero버튼을 눌러서 센서를 초기화 한다. ② DataStudio프로그램의 Start버튼을 눌러서 측정을 시작한다. ③ 흰색과 파란색(청색)의 Charge Producer(정전기 발생기)를 빠르고 부드럽게 여러 번 문지른다. ④ 청색 Charge Producer(정전기 발생기)를 안쪽의 원통 내부로 들이민 후 원통의 벽에 대고 2,3번 가볍게 문지른다. ⑤ 잠시 후 Stop버튼을 눌러서 측정을 끝낸다. ⑥ 앞 페이지의 그림과 같이 측정된 데이터를 마우스로 끌어서 전압과 전하량의 그래프가 그려지는 것을 확인하고 관찰한다.

실험 1: 정전기(14) 네 번째 실험: 흰색 Charge Producer에 의해서 유도된 전하량 측정(Charge by Induction) ① Ice Pail을 Ground(접지)하고, Charge센서의 Zero버튼을 눌러서 센서를 초기화 한다. ② DataStudio프로그램의 Start버튼을 눌러서 측정을 시작한다. ③ 흰색과 파란색(청색)의 Charge Producer(정전기 발생기)를 빠르고 부드럽게 여러 번 문지른다. ④ Ice Pail의 벽을 건드리지 않는 상태에서 흰색 Charge Producer를 천천히 안쪽 원통 안으로 들이민다. ⑤ 흰색 Charge Produce가 아직 원통 안에 있는 상태에서 다른 손으로 Ice Pail을 Ground시킨다. ⑥ Ground시킨 손을 떼고 흰색 Charge Producer을 서서히 원통 밖으로 올려서 꺼낸다. ⑦ Stop버튼을 눌러서 측정을 끝낸다. ⑧ 전압과 전하량의 그래프를 화면에 띄워서 변화를 관찰한다.

다섯 번째 실험: 청색 Charge Producer에 의해서 유도된 전하량 측정(Charge by Induction) 실험 1: 정전기(15) 다섯 번째 실험: 청색 Charge Producer에 의해서 유도된 전하량 측정(Charge by Induction) 네 번째 실험과 똑같은 실험을 이번에는 청색 Charge Producer를 사용하여 한 번 더 실행한다. ① Ice Pail을 Ground(접지)하고, Charge센서의 Zero버튼을 눌러서 센서를 초기화 한다. ② DataStudio프로그램의 Start버튼을 눌러서 측정을 시작한다. ③ 흰색과 파란색(청색)의 Charge Producer(정전기 발생기)를 빠르고 부드럽게 여러 번 문지른다. ④ Ice Pail의 벽을 건드리지 않는 상태에서 청색 Charge Producer를 천천히 안쪽 원통 안으로 들이민다. ⑤ 청색 Charge Produce가 아직 원통 안에 있는 상태에서 다른 손으로 Ice Pail을 Ground시킨다. ⑥ Ground시킨 손을 떼고 청색 Charge Producer을 서서히 원통 밖으로 올려서 꺼낸다. ⑦ Stop버튼을 눌러서 측정을 끝낸다. ⑧ 전압과 전하량의 그래프를 화면에 띄워서 변화를 관찰한다.

-끝- 실험 1: 정전기(16) ①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩⑪⑫⑬⑭⑮ 분석 관찰한 결과와 그래프 등을 사용하여 아래의 물음에 답을 하여 제출하라. ① 첫 번째 실험에서 흰색 Charge Producer의 극성(polarity)은 무엇인가? 청색 Charge Producer의 극성은 무엇인가? ② 두 번째 실험에서 흰색 Charge Producer를 안 쪽 원통의 내부에 문지른 후 제거 하였을 때 원통의 전하는 어떻게 변화하였는가? 그 이유는 무엇인가? ③ 세 번째 실험에서 청색 Charge Producer를 안 쪽 원통의 내부에 문지른 후 제거 하였을 때 원통의 전하는 어떻게 변화하였는가? 그 이유는 무엇인가? ④ 네 번째 실험에서 흰색 Charge Producer를 안 쪽 원통의 내부에 닿지 않게 밀어 넣었을 때 전하량 혹은 전위차에 어떤 변화가 생겼는가 그리고 그 이유는 무엇인가 설명하라. ⑤ 네 번째 실험에서 흰색 Charge Producer를 안 쪽 원통의 내부에 닿지 않고 있는 상태에서 다른 손으로 Ice Pail을 Ground 시켰을 때 어떤 변화가 생겼는가 그 이유는 무엇인가 설명하라. ⑥ 네 번째 실험에서 Ice Pail을 Ground 시킨 후 Charge Producer를 원통 밖으로 꺼내서 제거 하였을 때 어떤 변화가 생겼는가 그리고 그 이유는 무엇인가 설명하라. ⑦ 접촉에 의해서 물체가 대전(帶電)되는 것과 접촉하지 않은 상태에서 유도에 의한 대전이 어떻게 다른가 설명하라. ※ 모든 답변에 실험한 결과 그래프를 첨부할 것 -끝-