일반물리학실험 - 등전위선과 전기장(예비, 결과)

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일반물리학실험 - 등전위선과 전기장(예비, 결과)에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

이 칠해진 종이를 사용한다. 그 위에 필요한 모양과 크기의 전극을 놓을 수 있으며 직류 전원장치(13)를 이용하여 양 전극 사이에 일정한 전위차를 가해준다.
테이블렛(6)은 컴퓨터용 테이블렛 디지타이저(ACECAD사 AcecatII 5"x5" Graphics Tablet)를 사용한다. 단, 탐침은 탐침의 평면상의 위치(x,y 좌표)뿐만 아니라 전도성 종이 위에서의 전위를 읽을 수 있어야 하므로, 전도성 종이 위의 한 지점에 물린 클립에서 측정된 기준전위를 전선(9)을 통해 아날로그-디지탈 변환기의 입력단자대(5)의 접지(ground)단자에 입력하고, 스타일러스 펜(7)의 끝에 부착된 탐침전극(8)에서 나온 측정전위를 전선을 통해 변환기의 입력단자대(5)의 신호단자에 연결한다.
아날로그-디지탈 변환기(2)는 컴퓨터 내장형 아날로그-디지탈 변환기(ADClone사 ACL-711B Multi-Function Data Acquisition Card)을 사용한다. 사용하는 컴퓨터(1)는 AT 급 PC(삼성 아라딘 286)로 2 Mb RAM 과 20 Mb 하드 디스크, 5.25" 플로피 디스켓 드라이브가 내장되고 흑백 모니터를 가진 것이다. 테이블렛은 PC의 직렬 컨넥터에, 또 아날로그-디지탈 변환기는 PC의 확장 슬롯에 연결되어 있다.
등전위선 실험을 반자동으로 수행하기 위해 이 실험에서 사용하는 프로그램인 Field Touch는 크게는 전위 방식과 전기마당 벡터 방식으로 나눌 수 있으며, 부수적으로 자유 그림 방식도 제공한다. 또한 여러가지 옵션 설정 및 화면의 저장 기능도 함께 가지고 있다.
권장할 만한 표준적인 실험방법은 다음과 같다.
① 흑연이 칠해진 전기전도성 종이를 한 장 테이블렛위에 놓고 양면테이프 등으로 움직이지 않도록 한다. [주 : 이 과정은 먼저 실험반에 의해 이미 되어 있을 수 있다.] 전극으로 동전 두개를 종이위에 올려놓고 전극 받침대로 눌러서 전기적인 접촉과 함께 전극이 움직이지 않도록 한다.
② 전극 받침대를 직류 전원장치에 연결시킨다. [주 : 이때 전극의 극성은 상관이 없다.]
③ 입력단자대로부터의 전선에 연결되어 있는 종이클립을 전기전도성 종이에 끼운다. [주 : 어느 위치여도 상관없으나 종이 밑부분에 수평위치는 두 전극사이의 가운데 쯤으로 한다.]
④ 전원장치의 전압조절 손잡이를 0(시계바늘이 도는 반대방향의 끝)에 놓고 전원 스위치를 ON 시킨다. 전원장치의 전압계가 10 V 정도를 가리키도록 전압조절 손잡이를 시계바늘 회전방향으로 돌려놓는다. [주의 : 전원장치의 전류조절 손잡이는 CV LED 에 불이 완전히 들어올 정도로만 돌린다.]
⑤ 컴퓨터와 모니터의 전원스위치를 켜고 Field Touch 프로그램을 실행시킨다. 기본으로 설정된 등간격 등전위선 모드를 사용하여 테이블렛의 펜 몸체의 버튼을 누른채로 펜끝을 전기전도성 종이위에서 움직이면서 화면상에 등전위선이 기록되는가 살핀다. 이때 설정되어 있는 점의 크기(brush size), 형태(shape), 기준전위, 전위차, 오차 폭, 전극(동전)의 위치 등이 적당한가 살피고 여러가지로 바꿔보면서 적절한 값을 찾는다.
⑥ File 메뉴에서 New를 택하여 그림영역의 내용을 지우고 새로 등전위선을 그린 다음 Save 시킨다. 이때 등간격의 등전위선을 모두 그리도록 하고 처음 기대한 모양과 일치하는가 살펴본다.
⑦ 전극의 간격이나 크기 또는 모양을 바꿔가면서 등전위선의 형태가 어떻게 달라지는가 살펴본다. 이때 Options 메뉴의 Color Scheme 에서 다른 처리방법들을 택해보기도 한다.
⑧ Drawing Modes 메뉴로부터 Field Vector(전기마당 벡터 모드)를 택한다. 펜끝을 전기전도성 종이위의 한점에 눌러 화면상에 X 표가 나타나도록 한다. 펜 몸체의 버튼을 누른채로 X 표 주위를 상하좌우로 5 mm 이상 씩 가볍게 문질러준 다음 버튼을 놓아 X 지점에서의 전기마당 벡터가 화면에 표시되는 것을 확인한다.
⑨ ⑥에서 구한 등전위선 상의 여러점에서 전기마당 벡터를 구한다. 등전위선과 전기마당 사이의 관계를 확인한다.
각조의 독특한 방법으로 한가지의 실험을 하도록 한다. 즉, 특별한 (그러나 의미있는) 형태의 전극을 사용하거나, 전기흐름길에 다른 도체를 놓거나, 전기흐름길에 부도체를 놓거나(즉, 구멍을 뚫는 것을 의미하며 이때는 각 실험조마다 매번 구멍을 뚫을 수는 없으므로, 미리 구멍이 뚫려 있는 종이를 조교의 허락을 받아 사용하도록 한다.), 등전위선과 전기마당 벡터사이의 관계를 잘 보여주거나 등을 생각할 수 있다.
※ 실험결과는 프린터로 출력할 수 있으며 필요하면 디스켓에 저장할 수 있다.
(2) 그림 7.3의 전극 배치에 대해 등전위선과 전기장 모양을 예측해 보시오
ⅰ) 평행판
ⅱ) 도체구 내의 점전하
ⅲ) 두 개의 점전하
ⅳ) 도체내의 두 개의 점전하
ⅴ) 평행판 내의 속이 빈 도체구
ⅵ) 평행판 내의 부도체
7. 결론 및 검토
이 실험은 등전위선과 전기장의 개념을 이해하고 주어진 전극 배치에 대해 등전위선과 전기장을 그려봄으로써 등전위선의 모양과 전기장의 방향을 확인하는 실험이다.
전도성 종이 위에 은잉크펜을 이용하여 다양한 모양의 전극을 그리고, 적당한 전원을 공급하여, 등전위선 및 전기장의 방향을 확인 할 수 있었다.
교과서에서 수 없이 보아 왔던, 평행판 축전기의 전기장 모양등을 직접 관찰 할 수 있었고, 특히, 평행판의 바깥 쪽의 전기장 모양을 관찰할 수 도 있었다.
전기장과 등전위선은 수직함을 관찰 할 수 있었고, 3차원 공간에서의 등전위선 및 전기장을 예상할 수 있었다.
은잉크펜으로 전극을 그릴 때, 매끄러운 선이 아니였고, 단자를 전도성 종이 위에 접촉시키는 방향에 따라 찾은 점들이 조금씩 흐트러졌다. 또한, 전도성 종이위의 눈금이 1cm 간격으로 컸기 때문에 눈 대중으로 읽고 결과를 그리는 수 밖에 없어 그 모양이 매끄럽게 나오지 않았다.
마지막으로, 전기장의 방향을 찾을 때, 전위차가 최대가 되는 지점을 찾았는데, 최소가 되는 지점을 찾았더라면, 실험할 때, 그리는 전기장의 방향과 이론적 방향이 일치할 수 있었는데, 그렇게 하지 못한 것이 아쉽다.

키워드

일반물리학실험,   등전위선과 전기장,   전기장