일반물리학실험 | 기초 정전기 실험

 

 

 

TIP

 

 

직접 실험을 통하여 전하의 발생, 전하의 분포, 전하의 이동 등의 정전기적 현상에 대해 정확한 이해를 얻는다.

 

 

 

전하

전하란 전기적, 자기적 효과를 만들어내는 성질이다. 전하는 양전하와 음전하 두 종류로 이루어져 있으며 독립적인 존재가 아니라 항상 물체에 존재한다. 즉 전하는 질량과 함께 존재하며 물체가 전하를 가지게 되면 그 물체는 대전되었다고 한다. 전하의 근원은 원자로서 양성자는 한 물질로부터 다른 물질로 이동할 수 없기 때문에 대전된다는 것은 음전하의 기본 운전자인 전자를 잃거나 얻는 현상을 말한다.

 

전하의 가장 중요한 특징은 전하량 보존 법칙을 따른다는 것인데 최초 중성인 두 물체를 문지르면 한쪽은 상당량의 전자를 잃게 되어 양의 부호로 대전되고 다른 한쪽은 전자를 얻게 되어 음의 부호로 대전되지만 이 과정에서 전하가 새로 생성되거나 소멸되는 것은 아니기 때문에 전하의 총량은 항상 보존된다. 전하량은 기본 전하량e의 배수가 된다. 즉, 기본 전하량의 정수배의 전하량을 갖는다는 것이다. 이 같은 현상을 전하의 양자화라고 한다.

 

대전된 물체는 다른 물체에 힘을 작용하는데 다른 물체는 대전이 되어 있을 수도 있고 안 되 있을 수도 있다. 이때 대전된 물체사이는 같은 종류의 전하일 때 척력이 작용하고 다른 종류의 전하일 때는 인력이 작용한다. 또한 대전된 물체가 대전되지 않은 물체끼리는 항상 인력이 작용한다. 물질들은 전자의 이동을 허용하는 능력에 따라 세 종류로 나누어지는데 전자의 이동이 용이한 도체, 이동이 쉽게 허용되지 않는 부도체, 전위차의 크기에 따라 전하 이동의 용이성이 조절되는 반도체 이렇게 나누어진다.

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실험 방법

1. 실험 과정

본 실험에서 다음과 같은 실험을 진행하여 전하의 발생(대전)현상을 이해하였다.

A. 중성의 두 절연체 간의 마찰에 의한 대전(비닐과 고무)

중성의 두 절연체 간의 마찰에 의한 대전을 알아보기 위해 대전봉 두 개의 서로 다른 면을 마찰 시켜 Ice Pail에 넣어 전하량을 측정한다.

 

전위계를 RANGE 10 으로 맞춘 후 두 대전봉을 Ice Pail 에 넣었을 때 하나의 대전봉은 -5.8V로 전하량이 측정되었고, 다른 하나의 대전봉은 +6.4V로 전하량이 측정되었다. 두 대전봉을 동시에 넣었을 때에는 +0.4V로 전하량이 측정되었다.

 

B. 대전된 절연체와 중성의 도체 간의 접촉에 의한 대전

대전된 아크릴판을 도체인 금속구에 접촉 시켜 Ice Pail 근처로 가져가 전하를 측정하여 아크릴 판의 전하와 비교해 본다.

 

전위계를 RANGE 10 으로 맞춘 후 아크릴 판을 Ice Pail에 넣었을 때 -2.4V로 전하량이 측정되었고, 금속구를 Ice Pail 근처로 가까이 했을 때 -1.2V의 전하량이 측정되었다.

 

C. 유도에 의한 대전 1 - 두 개의 금속구 사용

두 개의 금속구를 붙여놓고 대전된 물체를 근처에 접근시켜 금속구를 대전시키고 대전된 물체로부터 멀리 있던 금속구를 떨어뜨린 후 Ice Pail 근처로 가져가 전하의 부호를 알아본다.

 

먼저 테스트봉의 전하를 측정할 때에는 전위계를 RANGE 50으로 맞춘 후 Ice Pail에 넣었을 때 -1.5V가 측정되었고 금속구의 전하를 측정할 때에는 전위계를 RANGE 5로 맞춘 후 Ice Pail 근처로 가져가 측정하였는데 테스트봉과 가까이 있었던 금속구는 +0.6V로 전하가 측정되었고 먼 쪽에 있던 금속구는 -0.6V로 전하가 측정되었다.

 

D. 유도에 의한 대전 2 - 한 개의 금속구 사용

한 개의 금속구를 이용하여 대전된 물체를 근처에 접근시켜 금속구를 대전시키고 접지시킨 후 Ice Pail 근처로 가져가 전하의 부호를 알아본다.

 

먼저 테스트봉의 전하를 측정할 때에는 전위계를 RANGE 50으로 맞춘 후 Ice Pail에 넣었을 때 -1.5V가 측정되었고 금속구의 전하를 측정할 때에는 전위계를 RANGE 5로 맞춘 후 Ice Pail 근처로 가져가 측정하였는데 +0.6V의 전하량이 측정되었다.

 

E. 전하 분포(D 실험에 대한 보충)

① 하나의 금속구를 전원에 연결시켜 같은 전하가 분포하게 한 후에 다른 금속구를 근처에 가져가 대전시키고 테스트봉을 이용하여 전하의 분포가 골고루 퍼져 있는지를 알아본다. 테스트봉의 전하를 측정할 때 전위계를 RANGE 50으로 맞추었는데 (가) -0.6V (나) -0.6V (다) -0.6V로 측정되었다.

 

② 전원이 연결되어 있지 않은 금속구를 대전체로부터 먼 쪽에서 접지시킨 후 다시 한 번 전하의 분포를 알아본다. 테스트봉의 전하를 측정할 때 전위계를 RANGE 50으로 맞추었는데 (가) -0.6V (나) -0.5V (다) -0.2V로 측정되었다.

 

③ 전원을 연결시켰던 구를 멀리 치운 후 고립된 금속구를 테스트 봉으로 전하를 측정해보고 전하 분포를 알아본다. 실험에서 테스트봉의 전하를 측정할 때 전위계를 RANGE 50으로 맞추었는데 (가) -0.5V (나) -0.5V (다) -0.5V로 측정되었다.

 

 

 

 

[일반물리학실험]기초 정전기 실험 레포트