일반물리학실험 | 평행판 전극의 전기력 측정

 

 

 

TIP

 

 

두 개의 나란한 금속 판을 대전시켜 이들 사이의 전기력을 측정하고 평행판 축전기의 특성을 이해한다.

 

 

 

전기 현상의 요인을 전하라고 부르며 전하는 질량과 같이 입자가 갖는 한 속성이다. 또한, 전기 현상이란 전하와 전하 사이에 영향(힘)을 미치는 것을 가리킨다. 전기힘과 전하 q₁, q₂ 사이의 정량적인 관계 F ∝ q₁q₂/r²를 쿨롱의 법칙이라고 부르며, 전기힘도 중력과 마찬가지로 전하 사이의 거리(r)의 역수의 제곱에 비례하는 것을 나타낸다.

 

두 전하 q₁, q₂의 부호가 같을 때 이 전기힘은 서로 미는 힘이 되고, 다를 때는 당기는 힘이다. 쿨롱은 이 실험에서 그의 유명한 비틀림 저울을 사용하였다. 쿨롱이 전기힘의 거리에 대한 의존성을 실험할 수 있게 된 계기는 바로 전 해인 1784년에 그 자신이 비틀림 저울에서 되돌림힘의 크기가 비틀림각에 비례한다는 것을 알아냈기 때문이었다.

 

 

본 실험은 두 개의 평행한 금속판사이에 작용하는 전기력을 전자 저울을 사용하여 검증한다.

 

 

위 그림과 같이 가우스 경로를 잡으면 가우스법칙에 의해 ε₀∮E·dA = q이므로 q = ε₀EA 가 되고, 전위차 V는

 

 

이다. 여기서 ε₀는 진공중의 유전상수라 하고, ε₀=8.85 × 10^-12의 값을 갖는다.(유전상수란 전하의 힘을 전달하는 정도를 나타내는 상수이다) q= CV 관계식으로부터 평행판 축전기에 대한 정전용량은

 

 

이 된다. (여기서 ε₀: 진공 중의 유전율, A: 극판 면적, d: 극판 사이의 거리)

상단 도체판에 축적된 전하량

 

 

에 의해 하단판(q = - ε₀AV/d)이 받는 힘을 구해보면 면 전하밀도를 σ라 하면 도체판 한개에 의한 전기장은

 

 

이고 하단 도체판이 받는 힘은

 

 

여기서 -q 는 하단면의 전하량, E 는 상단면에 의한 전기장이다. (2)식을 (3)에 대입하고 정리하면

 

 

이다. 여기서 - 는 두극판 사이에 작용하는 인력을 나타낸다. 그러므로 축전기의 정전용량 C는 다음과 같다.

 

728x90

 

 

실험 방법

1. 전위차를 일정하게 유지하고 전극사이의 간격 변화

1) 사용할 판의 단면적을 계산

 

2) 마이크로미터를 이용하여 판 간격을 4㎜가 되도록 한다(이때 마이크로미터를 시계방향으로 돌리면 위쪽 판이 위로 올라감)

 

3) 도체막대를 이용하여 두 전극에 남아있는 잉여 전하를 제거 하고 전자저울을 0점으로 맞춘다.

 

4) 직류 전원 스위치를 끄고, 직류 전원의 +극을 위쪽판에 -극을 아래쪽판에 연결한다.

 

5) 전압을 0인 상태로 맞추고 직류전원을 키고, 전압을 5000V로 맞춘후, 전압 수치와 전자저울에 표시된 수치에 중력가속도(G)를 곱한 무게를 기록한다.

 

6) 마이크로미터로 판 사이간격을 0.5㎜씩 증가시키며 10번정도 반복한다.

 

7) 직류 전압을 0으로 맞추고, 스위치를 끈후, 도체 막대로 다시 잉여전하를 제거한다.

 

2. 전극 사이의 간격은 일정하고, 전위를 변화

1) 실험 가의 1)～4)까지 반복한후 전압을 0인 상태로 맞추고 직류전원을 킨다.

 

2) 전압을 증가시켜 0.5kv로 맞춘후, 전압의 수치와 전자저울에 표시된 수치에 중력가속도(G)를 곱하여 무게를 기록한다.

 

3) 직류전압을 0.5kv씩 증가시키면서 20번 반복한다.

 

4) 직류 전압을 0으로 맞추고, 스위치를 끈후, 도체 막대로 다시 잉여전하를 제거한다.

 

 

 

[일반물리학실험]평행판 전극의 전기력 측정 레포트