일반물리학실험 | 솔레노이드 안의 자기장

 

 

 

TIP

 

 

1. 솔레노이드의 전류와 자기장사이의 관계를 알아보아라.
2. 솔레노이드에서 미터 당 도선이 감긴 수와 자기장과의 관계를 알아보아라.

 

 

 

솔레노이드란 도선을 나선과 같은 모양으로 촘촘하게 감아 놓은 것을 말하며 이번 실험에서 사용하는 금속 Slinky는 솔레노이드와 같은 모양으로 우리는 이것을 솔레노이드로 이용할 것이다. 도선에 전류가 흐르게 되면 솔레노이드의 내부에 자기장이 형성되며 이러한 솔레노이드는 전기회로에서 사용되거나 전자석으로 이용된다. 본 실험에서 우리는 솔레노이드 내부에 형성되는 자기장에 영향을 주는 요인들이 무엇인지 알아보고 솔레노이드의 여러 위치에서 자기장이 어떻게 변하는지 공부할 것이다. 여러분은 Slinky의 코일 속에 자기장 센서를 넣어 코일 속의 자기장을 측정할 수 있고 물리의 기본 상수인 투과상수를(μ₀) 측정할 것이다.

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실험 방법

실험 1. 전류와 자기장의 관계

솔레노이드 내부의 자기장은 전류와 어떠한 관계성을 가지고 있는가? 실험의 척 번째 부분에서 여러분은 솔레노이드 중심에서의 자기장과 솔레노이드를 따라 흐르는 전류사이의 관계를 알아볼 것이다. 이에 앞서 측정을 할 때를 제외하고는 전류를 차단 시켜야 한다.

 

1) 자기장 센서를 Slinky 중간부분 도선 사이에 위치시킨다.

 

2) 스위치를 닫고 하얀 점이 솔레노이드의 축 방향을 향하도록 센서를 회전시킨다. 이 지점이 나머지 실험에서 자기장을 측정하기 위한 지점이 된다.

 

3) 데이터를 모으기 위해 collect 버튼을 누른다. 수 초간 기다린 후 스위치를 닫아 전류를 흘려주어라.

 

4) 스위치를 닫았을 때 자기장이 증가한다면 여러분은 실험을 위한 준비가 다 된 것이다. 만약 스위치를 닫았는데 자기장이 감소한다면 자기장 센서가 반대 방향을 향하도록 회전 시켜라.

 

5) 이러한 상태에서 스위치를 열고 zero 버튼을 누른다. 이렇게 하는 이유는 자기장 센서를 ‘0’으로 맞추어 주고 지구 자기장에 의해 Slinky의 금속내의 자성과 테이블의 자성에 의해 발생되는 자기장을 초기 값으로 정하기 위해서이다.

 

6) 스위치를 닫았을 대 코일을 통해 흐르는 전류가 0.5A가 되도록 전원 공급 장치를 조절 한다.

 

7) 데이터를 모으기 위해 collect 버튼을 누르고 데이터를 모으는 동안 최소 10초 동안 스 위치를 닫아라.

 

8) 자기장과 시간의 그래프를 보고, 회로에 전류가 흘렀을 때를 나타내는 부분을 드래그 (drag)하여 선택한 후 Statistics 버튼을 눌러 전류가 흐르는 동안의 평균 자기 장력을 구하고, 그 값을 데이터 테이블에 기록하여라.

 

9) 전류를 0.5A 씩 증가시키고 7, 8번 과정을 반복하여라.

 

10) 전류가 최대 2.0A 가되기까지 9번 과정을 반복하여라.

 

11) Slinky의 고리의 수와 길이를 측정하여라. Slinky의 끝 부분에서 늘여지지 않은 부분이 있다면 그것에 대한 길이나 도선이 감긴 수는 계산에서 제외하고 늘여진 부분에 대한 미터 당 도선이 감긴 수를 계산하여라. 데이터 표에 길이, 도선이 감긴 수, 미터 당 도선이 감긴 수를 기록하여라.

 

실험 2. 미터당 도선이 감긴 수와 자기장의 관계

솔레노이드의 자기장은 도선이 감긴 수와 어떠한 연관성을 가지는가?

두 번째 실험에서 여러분은 코일 중심의 자기장과 솔레노이드의 미터 당 도선이 감긴 수와의 관계를 알아 볼 것이다. 전류를 일정하게 유지시켜야 하고 그림 1에서와 같이 Slinky를 놓는다. 센서를 앞의 실험에서와 같은 방향으로 놓고 솔레노이드 중심 아래의 자기장을 측정한다. 여러분은 미터 당 도선이 감긴 수를 변화시키기 위해서 Slinky의 길이를 0.5m에서 2.0m 까지 바꿀 수 있을 것이다.

 

1) 스위치를 닫았을 때 전류가 1.5A 가 되도록 전원공급을 조절한다.

 

2) 이 상태에서 스위치를 열고 zero 버튼을 누른다. 이렇게 함으로써 자기장 센서를 ‘0’ 으로 맞추어 주고 지구자기장에 의해 Slinky의 금속내의 자성과 테이블의 자성에 의해 발생되는 자기장을 초기 값으로 정한다.

 

3) 데이터를 모으기 위해 collect 버튼을 누르고 데이터를 모으는 동안 최소 10초 동안은 스위치를 닫아라. 실제 데이터를 모으는 동안만 스위치를 닫도록 한다.

 

4) 자기장과 시간의 그래프를 보고, 회로에 전류가 흘렀을 때를 나타내는 부분을 드래그 (drag)하여 선택한 후 Statistics 버튼을 눌러 전류가 흐르는 동안의 평균 자기장을 구하고, Slinky의 도선이 감긴 수를 계산하고 길이를 측정하여라. 그리고 그 값을 데이 터 테이블에 기록하여라.

 

5) Slinky의 길이를 0.5m, 1.5m, 2.0m로 변화시키면서 13-15과정을 반복하여라. 각각의 길이에서 전류가 흐르지 않을 때 자기 센서의 값은‘0’이 되고 전류를 흐르게 할 때에는 1.5A가 되도록 한다.

 

 

 

[일반물리학실험]솔레노이드 안의 자기장 레포트