물리학실험 | 전류가 만드는 자기마당 - 비오-사바르 법칙과 앙페르의 법칙

 

 

 

TIP

 

 

전류가 흐르는 도선의 주위에는 자기마당이 생긴다. 이 실험에서는 직선 도선에 전류를 흘리고 주위의 자기마당을 홀-센서를 사용하여 측정한다. 이때 전류의 크기, 방향 및 전류가 흐르는 도선으로부터의 거리, 위치에 따른 자기마당의 변화를 조사하여 각 변인에 따르는 의존성을 알아보고 비오-사바르(Biot-Savart)의 법칙과 앙페르(Ampere)의 법칙을 확인한다. 아울러서 자기마당을 측정하는데 이용하는 홀(Hall) 효과와 사각 줄토리(코일) 및 솔레노이드의 자기마당을 공부한다.

 

 

 

전하들의 이동을 전류라고 부르며 정량적으로는 단위 시간 동안에 단면을 통과하는 총 전하량으로 정의한다. 전류가 흐르는 도선의 주위에는 자기마당이 생긴다. 전하는 움직이거나 정지해 있거나에 관계없이 전기 장을 형성하지만 자기마당은 전하가 움직일때에 생길수 있기 때문이다.

 

실제로 전류가 흐르때 자기장이 생기는 지에 대하여 알기 위해서는 나침반을 가져다 보면 알수 있다. 또 전자석을 보면 전류가 일으키는 자기 현상을 관찰할수 있다. 이 실험에서는 직선 도선에 전류를 흘리고 주위의 자기마당을 측정하고, 이때 전류의 크기, 방향 및 전류가 흐르는 도선으로부터의 거리, 위치에 따른 자기마당의 변화를 조사하여 비오-사바르의 법칙과 앙페르의 법칙을 확인한다.

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실험 방법

1. 실험 과정

1) 사용하는 홀-센서의 출력 전압의 벗어남(offset)을 보정한다.

① 홀-센서 전원 장치와 컴퓨터의 전원을 켜고 측정 프로그램을 구동시킨다. 홀-센서를 전기장치(컴퓨터, 모니터, 전원 장치 등)로부터 멀리 위치한다.

② 컴퓨터 화면의 창에 나타나는 x, y, z 숫자가 모두 0.1 V 이하인 것을 확인한 뒤 ③번의 보정 과정을 거친다. 만약 숫자가 0.1 V 를 넘으면 해당하는 조절 손잡이를 돌려 0.1 V 이하로 다시 맞춘 다음에 보정을 한다.

③ 컴퓨터 화면의 Calibration 메뉴에서 Zero를 누르면 컴퓨터는 이때 읽은 값을 기억하고, 이후 측정값에서 빼 주게 된다.

 

2) 홀-센서를 교정(calibration)한다.

① 홀-센서는 자기마당에 비례하는 홀-전압을 출력하지만 그 비례상수는 센서의 종류, 센서에 흐르는 전류, 센서의 온도 등에 따라 다를 수 있기 때문에, 전압을 자기마당으로 바꿔 주는 교정 과정을 거친다.

② 먼저 솔레노이드의 길이와 감은 수(500회)로부터 감은 수 밀도를 구하고, 그 내부의 자기마당이 2 mT(=2×10^-3 = 20 G)가 되기 위한 전류값을 계산한다. 다음 솔레노이드의 내부에 20 G 의 자기마당이 홀-센서를 향해 나오는 방향으로 발생하도록 전류를 흘리고, 홀-센서를 솔레노이드의 중심에 축에 평행하게 넣은 다음, 컴퓨터 화면의 Calibration 메뉴에서 Z-Axis 를 누른다. 다시 화면에 Ready 글자가 나오고 z-방향의 자기마당이 20 G 를 나타낼 때까지 2～3 초 기다린다. 컴퓨터는 이때 읽은 z-방향 자기마당 측정용 홀-센서의 전압을 20 G 로 변환하는 상수를 기억하여, 이후 x, y, z 홀-센서의 측정에 같이 적용한다. 이후 측정된 값은 G(gauss) 단위가 된다.

 

3) 솔레노이드 내부에서의 자기마당을 조사한다.

① 전류를 변화시키면서 솔레노이드 중심에서의 자기마당을 측정하여 전류에의 의존도를 확인한다. 전류의 방향을 바꿔서도 측정한다.

② 전류를 한 값에 고정시키고, 솔레노이드 축 상에서 위치에 따른 자기마당의 변화를 조사하여 이론 식

과 비교한다.

 

4) 전류가 흐르는 사각 줄토리에 의한 중심 축 상에서의 자기마당을 조사한다.

① 전원 장치를 사각 줄토리에 연결하고 1A 의 전류를 흘린다.

② 홀-센서를 수평 방향으로 누여서 사각 줄토리의 중심 축 상의 한 곳에 위치시키고 그때의 z-축 방향 자기마당 성분을 읽는다.

③ 위치를 바꿔서 측정하여 사각 고리 면으로부터의 거리에 따른 자기마당의 변화를 구하여 이론 식

와 비교한다.

 

5) 전류가 흐르는 사각 줄토리의 한 직선 도선 부근에서 자기마당을 조사한다.

① 방사형 방안지를 사각 줄토리의 한쪽 직선 도선에 끼워 넣는다. 이때 컴퓨터 화면의 그림과 같이 270° 의 위치가 실험자를 향한 방향이 되도록 한다. 그러면 화면의 오른쪽(0°) 방향이 +x, 위쪽(90°) 방향이 +y 축 방향이 된다. 직선 도선의 방향 즉, 수직 위 방향이 +z 축 방향이다.

② 홀-센서를 수직으로 하고 그림을 참고하여 실험자를 가리키는 방향이 -y 축 방향이 되도록 하여 방안지의 한 곳에 위치시킨다. 마우스를 써서 커서를 화면의 해당하는 곳에 가져간 다음 마우스의 왼쪽 누름개를 누른다. 측정한 자기마당의 x, y, z 성분이 기억되고 그림에도 자기마당의 크기와 방향이 화살표로 표시된다.

③ 홀-센서를 다른 곳으로 옮겨서 ②번의 측정을 반복한다. 잘못된 데이터가 입력되었으면, 그 화살표가 있는 곳으로 커서를 옮긴 다음 마우스의 오른편 누름개를 눌러서 선택하고, 다시 한번 눌러 나타난 창에서 확인 버튼을 누르면 된다.

④ 프로그램의 저장 기능에 문제가 있으므로 화면을 클립보드에 복사한 뒤 윈도우 내에 있는 그림판으로 불러와서 BMP 파일 형태로 저장한다.

 

 

 

[물리학실험]전류가 만드는 자기마당 레포트