압전 계수측정 실험

소개글

압전 계수측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 목적 및 소개
2. 이론
3. 실험장치
4. 실험 방법
5. 실험결과
6. 검토 및 토의

본문내용

평가의 기준이 된다. 경방향모드(kp)와 두께방향모드(kt)로 나누어지며 압전 실험시 pzt체적비와는 무관하다. 압전현상을 물리적으로 나타내며 공진과 반공진 주파수가 차이가 날수록 결합계수는 커진다. 진동모드에 따라 k31, k33, k15, kt, kp의 다섯 가지가 존재한다.
● 압전변형계수(d)
압전체에 전계(V/m)를 인가할 때 변하는 정도를 나타내는 변수로 계수, 전계, 변위 방향의 관계를 d33, d31, d15 등으로 표현한다. 압전응력계수(e), 전압응력계수(h) 역시 같은 표현이다.
● 전압출력계수(g)
압력이 가해졌을 시 출력되는 전압의 비로 정의된다.
● 큐리온도(Tc)
물질이 자성을 잃는 온도이며 원자의 열에너지가 자기모멘트의 결합에너지와 같아지는 온도이다. 따라서 이 온도 이상에서는 자기모멘트가 결합하지 못하여 상자성을 가진다. 명칭은 발견자인 프랑스의 물리학자 P.퀴리의 이름에서 딴 것이다. 퀴리점이라고도 하며 자석같은 강자성체를 퀴리온도 이상으로 가열하면 자석으로서의 성질을 잃는다. 이렇게 강자성체가 강자성 상태에서 상자성(paramagnetism) 상태로 변하거나 그 반대로 변할 때의 전이온도를 말한다. 자석의 재료가 되는 물질을 조절하면 이 온도를 어느 정도 바꿀 수 있다. 일반적으로 자철석의 퀴리온도는 575℃, 적철석은 675℃, 순수한 철은 768℃, 니켈은 350℃, 코발트는 1120℃이다.
● 전기 저항식 스트레인 게이지의 측정 원리
금속저항체는 크나 작으나 전류를 흘리지 않으려는 성질이 있다. 즉, 전기저항이 있고, 그 값을 전기저항(Ω)으로 나타낸다. 그 값은 금속의 종류에 따라 다른데 같은 재질(합금도 포함)이면, 일반적으로 가늘고 긴 것일수록 저항치가 크다. 이것은 예를 들어 수도파이프를 생각해 보면 굵은 파이프가 단위시간에 흘리는 물의 양이 크고, 즉 저항이 작다는 것을 말할 수 있다. 또 가는 파이프가 흘리는 물의 양이 적고, 즉 저항이 크다는 것과 같다. 금속 저항체는 외력을 가해서 신축시키면, 저항치도 그것에 따라 어느 범위 내에서 증감한다. 즉, 변형을 측정하려고 하는 물체에 금속을 밀착시켜 놓으면, 그리고 저항체가 가늘고 얇아서 완전히 접착되어 있으면, 외력에 의한 신축에 의해 신축에 비례해서 저항치가 변화한다. 스트레인게이지는 이 저항치의 변화에서 변형을 측정하는 센서이다.
전기 저항식 스트레인 게이지는 전기 저항이 스트레인 게이지의 길이변하에 비례하여 일반적으로 다음과 같다
(R:저항, ρ:비저항, L:길이, A:단면적)
또한 압전 현상을
(dL:길이변화, L:원래길이, d31:압전계수, E:전기장의 세기)
과 같이 나타낼 수 있으므로 위와 같은 원리에 의해 스트레인 게이지가 측정을 하게 된다.
● 문헌에서의 일반적인 압전 계수와의 비교
문헌에서 일반적인 압전 계수의 크기는 ()이다. 이 값은 이번 실험에서 얻은 압전 계수의 평균값인 2.08*10^(-11)m/v 차이가 날 뿐만 아니라 각각의 개별 결과와도 상당한 차이가 난다. 이러한 차이가 생기는 이유는 여러 가지가 있을 수 있다.
먼저 실험기구로 인해 생기는 오차가 있을 수 있다. 결과 도출을 위해서 실험시에 시편의 두께를 측정하는데 같은 시편이라 하더라도 약간의 오차는 있을 뿐만 아니라 측정을 할 때 측정기구에 의해 또 다른 오차가 생길 수 있기 때문이다. 또한 스트레인 게이지의 저항 등의 오차 범위가 커서 그로 인해 오차가 생길 수도 있다. 그리고 파워서플라이의 경우 전압이 제대로 표시되지 않아서 디지털 게이지가 아날로그 게이지로 측정을 해야 했는데 그로인한 오차가 생겼을 것이다. 그 다음으로 실험 방법으로 인해 생기는 오차가 있을 수 있다. 시편에 게이지를 부착할 때 시편을 세척하고 접착제를 이용하여 부착하게 되는데 아무리 세척을 했다 하더라도 완벽하게 시편과 게이지 사이의 불순물들을 제거할 수 없고 표시된 기준선에 딱 맞게 붙일 수 없으므로 오차가 발생하게 된다. 또한 전류를 흘려보내면 저항에 의해서 열이 발생하게 되는데 이때 발생한 열로 인해서 오차가 발생할 수 있고 스트레인 게이지를 시편에 붙이고 전선을 연결할 때 납땜을 이용하게 되는데 인두에서 발생한 열로 인해 오차가 발생할 수 있다. 마지막으로 실험실 환경에 의해 오차가 발생할 수 있다. 실험실 내부에는 압전실험 뿐만 아니라 여러 가지 다른 실험이 시행되고 있었는데 이로 인해 발생한 진동과 같은 여러 가지 영향으로 인해서 오차가 발생할 수 있다. 따라서 실험 결과로 알게된 압전계수와 문헌에서의 일반적인 압전계수와는 상당한 차이가 발생한다.
● 실험에서 어려웠거나 유익한 부분, 또는 개선해야할 부분
- 어려웠던 점
스트레인 게이지를 시편에 부착하는 과정에서 중심을 맞추어 중앙에 부착해야 되는데 스트레인 게이지가 작을 뿐만 아니라 테이프로 고정을 하긴 했지만 약간씩 움직이는 바람에 정중앙에 붙이는데 상당히 애를 먹었다. 또한 전선과 스트레인 게이지를 연결할 때 납땜을 이용하였는데 처음 해보는 납땜이라 어느 부분에 어떻게 해야 하는지 몰라서 어려웠다. 그리고 시편에 스트레인 게이지를 부착한 영점을 맞추어야 하는데 스트레인 게이지가 안정화되는데 너무 오랜 시간이 걸리고 약간만 흔들리거나 건드려도 영점이 바뀌어서 실험에 어려움이 있었다.
- 개선되어야 할 점
무엇보다도 정확한 실험을 위해 실험의 오차를 발생하는 요소들을 없애야 할 것이다. 비교적 정확한 전압을 걸어주고 표시해 주는 파워 서플라이, 깨끗한 시편과 스트레인 게이지 등 실험 기구에 대한 것들과 조그만 변화에도 영향을 받는 실험이니 만큼 다른 실험들과 분리된 공간에서 실험이 이루어지면 좋을 것이다. 그리고 여건이 된다면 실험을 여러번 하거나 다른 방법으로 연습을 한 뒤 실험 방법을 숙지하고 실험을 진행한다면 납땜이나 스트레인 게이지를 부착할 때의 어려움으로 인해 생기는 오차도 줄이 더 정확한 실험을 할 수 있을 것이다.
- 유익한 점
이론으로만 공부했던 것을 이용하여 실험을 함으로써 이해하지 못했던 부분도 다시 한번 생각해 볼 수 있는 기회가 되었고 스트레인 게이지나 인디케이터 등 새로운 실험기구의 사용법과 원리를 알 수 있었다.

키워드

압전,   압전계수,   압전계수측정,   계수,   측정,   압전실험,   압전측정,   응용역학