[물리학 및 실험2] 09.암페어 법칙 결과레포트

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[물리학 및 실험2] 09.암페어 법칙 결과레포트에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험 목적
2. 실험 원리
3. 실험 기구 및 장치
4. 실험 방법
5. 데이터
6. 질문사항
7. 결과 및 토의

본문내용

56
평균
0.498
52.4
1510.781
1600
-6%
(솔레노이드 중앙)
(솔레노이드 끝값)
위 식을 통해 n 값을 구할 수 있다.
※ [실험 2]의 그래프
실험3)
(1) 코일상수 측정
횟수
외경R1[m]
내경R2[m]
반경R[m]
길이l[m]
1
0.02435
0.01725
0.0208
0.177
2
0.02436
0.01726
0.02081
0.178
3
0.02435
0.01725
0.0208
0.178
4
0.02435
0.01726
0.020805
0.177
5
0.02436
0.01725
0.020805
0.178
평균
0.024354
0.017254
0.020804
0.1776
(2) 실험값
횟수
전류[A]
측정값[gauss]
감은수[N]
감은수[N]
오차[%]
1
0.25
52
3009.553
2
0.24
52
3151.817
3
0.24
52
3151.817
4
0.25
51
2951.677
5
0.25
51
2967.52
평균
0.246
51.6
3046.477
3200
-5%
(솔레노이드 중앙)
(솔레노이드 끝값)
위 식을 통해 n 값을 구할 수 있다.
※ [실험 3]의 그래프
6. 질문사항
☞홀센서란 무엇인가?
- 자기 마당을 감지하는 트랜지스터로 마그네토다이오드보다 감도가 높으며 자기 마당의 세기, 분호를 측정하는데 쓴다. 홀센서는 자력에 반응하여 출력이 변하므로 그 성질을 이용하며, 자석과 조합하여 리미트 센서에 사용된다. 또 다른 측면으로는 자기장을 검출하는 방법에 따라서 여러 가지 검출 센서들이 있는데 가장 널리 알려진 센서가 홀센서이다. 홀센서의 원리는 반도체의 전극에 전류를 흐르게 한 수 수직방향으로 자기장을 흐르게 하고, 그 결과 전류의 방향과 자기장의 방향에 수직하게 전위차가 발생한다.
(1) 코일의 중앙에서 자기장센서를 반경 방향으로 급격히 움직일 때 자기장(축방향)의 변화는 어떠한가?
- 자기장의 크기가 감소한다. 중앙에서 반경방향으로 조금씩 움직일 때는 미세하게 감소하지만 급격하게 움직일 경우에는 큰 차이로 변하다. 또, 반경 방향으로 움직였을 때에는 자기장의 변화가 작았지만 축 방향으로 움직였을 때에는 변화의 폭이 비교적 컸다. 또한 암페어 법칙으로 보았을 때 자기장의 방향이 반경방향과 수직을 이루는 것을 알 수 있다. 이것을 통해 솔레노이드 내부의 자기장 선분은 반경에 직교함을 알 수 있다.
(2) 코일의 중심선 상에서 한쪽 끝에서의 자기장은 중앙에서의 자기장 값과 얼마나 차이가 나는가?
- 코일 중심에서 자기장의 세기는 이고 한 쪽 끝에서의 자기장의 세기는 이다. 두 식을 비교하면 대략적으로 중심에서의 자기장 세기가 2배정도 크다. 실제 실험에서는 그 값이 정확하게 나오지 않았으나 보정 값으로 비교해 보면 중심에서의 자기장의 세기가 57.23618 이고 한 쪽 끝에서의 자기장의 값이 28.61038702 로 중앙에서의 값이 약2배정도 크다.
이를 입증하자면 다음과 같다. 솔레노이드의 자기장 세기는
이다.
중심에서의 자기장 세기는 이고,
한쪽 끝의 경우는 이다.
따라서 중심에서의 자기장은 한쪽 끝에서의 자기장보다배만큼 큰 값을 가진다.
(3) 실험에서 (3),(4)식과 같이 계산 값을 사용하는 이유는 무엇인가?
- 솔레노이드 코일 내부에서의 자기장은 암페어 법칙에 의해 이지만 실제 솔레노이드 코일은 무한하지 않기 때문이다. 또한 암페어 법칙에서 구하는 자기장의 세기는 솔레노이드의 길이가 무한하다고 가정하지만, 실제로 솔레노이드의 길이는 그렇지 않다.
(4) [실험 1]의 그래프를 그리시오.
7. 결과 및 토의
- 이번 실험은 직선도전, 원형도선 및 솔레노이드 코일에 전류가 흐를 때 도선주의의 자기장의 세기를 측정하여 이론적인 자기장 분포 곡선과 일치하는가를 알아보고 암페어의 법칙 및 비오-사바르의 법칙이 성립하는 가를 알아보는 실험이었다.
비오-사바르의 법칙이 생소해서 조사해보았다. 비오사바르의 법칙이란 정상전류가 흐르고 있는 도선 주위의 자기장의 세기를 구하는 법칙이다. 이 법칙을 이용하면 도선 밖의 한 점에서의 자기장의 세기는 회로 안의 작은 면적의 자기장의 벡터 합으로써 구할 수 있다고 한다.
실험을 통해 구한 데이터를 분석해보면 다음과 같다.
자기장은 직선도선과 원형도선으로부터 멀어질수록 자기장의 세기가 감소하는 형태를 보였다. 솔레노이드 도선의 경우에는 자기장의 세기가 log 그래프처럼 중심으로 다가갈수록 자기장의 세기가 커지고 중심에 들어간 후부터는 그 크기가 일정한 모습을 보였다. 그래프를 보면 암페어의 법칙과 비오-사바르 법칙에 근거한 식의 형태를 따르고 있다.
하지만 이론값과 실험값에 있어서 오차가 발생하였다. 때문에 오차의 원인에 대하여 생각해 보았다. 암페어의 법칙이나 비오-사바르의 법칙에 근거하여 측정값을 토대로 B값을 구하였다. 이때 제시된 투자율은 어떠한 상수로 주어졌는데, 이 상수와 실험에서 작용하던 상수와의 차이가 있을 수 있다. 때문에 이에 의한 오차가 발생할 수 있다. 또, 자기장 센서의 움직임이 정확하지 못했다. 톱니막대가 유격이 커서 일직선상으로 당겨지는 것이 아니라 상하좌우로 크게 흔들렸다. 때문에 천천히 당겼을 때 그래프가 개형에서 튀는 부분이 있었다. 기계를 사용하여 자기장센서가 움직일 때 오차를 줄일 수 있다.
원형도선의 경우 자기장 센서가 정확히 중심에 있다고 할 수 없었다. 정확한 위치에 놓을 만한 장비가 없었기 때문에 눈으로 보고 위치시켰다. 이 때문에 오차가 발생하였을 것이다. 또 외부 자기장에 의해 자기력이 오차가 나올 수 있다. 실험실 내부에서 도선에 의해 발생하는 자기장 외에 외부 자기장이 0이라고 확신할 수 없기 때문이다. 지구 자기장이나 휴대폰, 컴퓨터 등 자기장을 띄는 물체들이 실험 데이터에 어느 정도 영향을 미쳤을 것이다.
실험 방법에는 큰 무리가 없었지만 계산하는데 꽤나 복잡했던 실험이었고, 이번 실험을 통해서 직선도전, 원형도선 및 솔레노이드 코일에 전류가 흐를 때 도선주의의 자기장의 세기를 측정하여 이론적인 자기장 분포 곡선과 일치하는가를 알아보고 암페어의 법칙 및 비오-사바르의 법칙이 성립하는 가를 알아볼 수 있었다.

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