일반물리학실험 | RC 시상수 측정

 

 

 

TIP

 

 

직류전원에 의해 축전기에 전하가 충전되는 양상을 관찰하고, R-C회로의 전기적 특성을 대표하는 시상수를 측정하여 축전기의 직렬, 병렬연결에 대한 등가 전기용량을 알아본다.

 

 

 

축전기와 전기저항으로 구성된 ,R-C회로에 키르히호프 제2법칙을 적용하면

 

 

이 된다. 기전력 E의 전지로 충전할 경우와 완전 충전 후 전지 없이 방전시킬 경우 축전기 양단 전위차 V(t)(또는 축전기에 충전되는 전하량 Q(t))의 시간에 따른 변화는 각기 다음과 같다.

 

 

여기서 T=RC는 R-C회로의 시간상수이다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) DataStudio를 통해 그림과 같이 되도록 100Ω의 전기저항과 100㎌ 축전기를 인터페이스상에서 연결한다.

 

2) switch를 끊어 놓은 채로 축전기의 양단을 연결함으로써 축전기를 완전 방출된 상태가 되도록 한다.

 

3) switch를 연결하고 전압계에 나타나는 전위차의 변화를 관찰한다.

 

4) 축전기에 완전히 충전된 후 switch를 끊고, 이때 전위차의 변화가 거의 없는 것, 즉 충전된 전하의 빠져나감이 없음을 확인한다.

 

5) 축전기와 저항만 연결된 상태에서 충전된 전하가 방전함에 따라 나타나는 축전기 양단의 전위차의 변화를 관찰한다.

 

6) 과정 2～5를 여러 번 되풀이하여 충전과 방전에 따른 변화를 익힌다.

 

7) 이제 2～5의 과정을 되풀이하되 과정 3에서 switch를 연결한 직후부터 40초 동안 5초 간격으로 전위차 V를 기록하고 과정 5에서 전선을 연결한 직후부터 40초까지 5초 간격으로 전위차 V를 측정한다. 측정한 V와 V가 각각 식 2와 3에 따름을 그래프로 확인하라

 

8) [도움말] 시간마다의 전위차를 측정하기 위하여 한 사람은 시계를 보며 시간을 신호해 주고, 한 사람은 신호에 따라 전압계에 나타나는 전위차 값을 읽고, 다른 한 사람은 전위차를 받아 적는 분업을 하면 쉬울 것이다.

 

9) 과정 7과 같이 2～5의 과정을 되풀이하되 이번에는 과정 3에서 switch를 연결한 후부터 전위차가 에 도달할 때까지 걸리는 시간 t를 측정하고 완전 충전된 후의 축전기 양단의 전위차를 측정한다. 또한 과정 5에서 전선을 연결하여 방전시키는 과정에서 전위가 1V인 순간부터 가 될 때까지 걸리는 시간 t를 측정한다. 방전과정에서 측정한 t를 T라 할 때 과정 7에서 그린 그래프와 비교하라.

 

10) 100㎌ 축전기를 330㎌ 축전기로 바꾸어 과정 8을 되풀이한다. 이를 통하여 축전기의 전기용량에 따른 시간상수의 변화를 본다.

 

11) 이번에는 100㎌ 축전기와 32Ω 전기저항을 이용하여 과정 8을 되풀이함으로써 전기저항에 따른 시간상수의 변화를 본다.

 

12) 100㎌ 축전기와 330㎌ 축전기를 병렬로 연결하여 100Ω의 전기저항과 함께 이용하여 과정 8을 되풀이함으로써 병렬로 연결한 축전기의 등가 전기용량을 결정한다.

 

13) 100㎌ 축전기와 330㎌ 축전기를 직렬로 연결하여 100Ω의 전기저항과 함께 이용하여 과정 8을 되풀이함으로써 직렬로 연결한 축전기의 등가 전기용량을 결정한다.

 

14) 실험이 끝나면 모든 장치를 원상복귀 시킨다.

 

 

 

[일반물리학실험]RC 시상수 측정 레포트