공학물리학실험 | 축전기와 정전용량

 

 

 

TIP

 

 

두 도체 사이에 전위차를 가할 때 두 극판에는 똑같은 크기의 반대부호인 전하량이 대전됨을 이해하고 두 전하량 사이에 작용하는 힘을 이용하여 평행판 축전기의 정전용량을 측정하고 이론치와 맞는가를 확인한다.

 

 

 

여러분은 활 시위를 당기거나 스프링을 늘리거나 가스를 압축하거나 책을 들어올림으로서 (역학적 혹은 탄성)위치에너지의 형태로 에너지를 저장할 수 있다. 마찬가지로 전기장내에서 위치에너지로 에너지를 저장할 수 있는 장치가 바로 축전기이다. 예를들어, 휴대용 사진기의 밧데리 동작 플레시 장치에는 축전기가 있다.

 

전하는 충전되는 동안 상대적으로 천천히 축적되고 축적되는 만큼 전기장이 올라간다. 축전기는 단지 포텐셜에너지를 축적하는 저장소를 넘어 오늘날 매우 많은 분야에 활용되고 있다. 또한, 예를들어, 라디오나 TV의 송수신기를 조정하는 회로의 핵심부품, 컴퓨터의 메모리를 형성하는 미소 축전기등이 모두 축전기의 원리를 응용한 것이다. 이러한 미소장치는 중요한데, 축적된 에너지의 크기 외에도 가해지는 전기장의 유무를 나타내는 ON-OFF 정보로서 활용될 수 있다.

 

일정한 간격으로 떨어져있는 두 도체판 사이에 전원장치를 연결하고 전압을 걸면 양 극판(콘덴서판)에는 크기가 같고 부호가 반대인 전하 q 와 -q 가 각각 형성된다. 행판 축전기에 축전된 전하 왼쪽 그림과 같이 가우스 경로를 잡으면 가우스법칙에 의해 ε₀∮E·dA = q 이므로 q = ε₀EA 가 되고, 전위차 V는 이다. 여기서 ε₀ 는 진공중의 유전상수라 하고, ε₀ =8.85×10^-12 의 값을 갖는다. (유전상수란 전하의 힘을 전달하는 정도를 나타내는 상수이다)

 

 

실험 방법

1. 실험 과정

1) 먼저 실험장치 자체의 수평을 맞추기위해 수평계를 실험장치 베이스 위에 올려놓고 바닥에있는 나사를 사용하여 수평을 잡는다.(이때 수평계 막대에 있는 3개의 기포가 정중앙에 오도록 해야 할 것이다)

 

2) 전자저울을 실험대위에 올려놓고 저울 뒤에있는 원형수평계를 이용하여 다시 저울자체의 수평을 잡는다. (이때 저울 바닥에 있는 수평조절 나사를 이용고 수평계의 기포가 정중앙에 오도록 조정해야 할 것이다.)

 

3) 먼저 작은 원판(r=53㎜)을 실험대의 상단에 돌려서 고정하고 하단면 부는 리드선을 꼽고 전자저울 위에 올려놓는다. 상단과 하단판의 간격이 약 1cm 정도 되도록 상단고정나사(2개)를 풀어서 밑으로 내리고 두 평판이 수평, 수직으로 정렬 되도록 잘 조절한다.

 

4) 고압전원장치의 전원코드를 연결하고 (+)단자를 상단평판에 (-)단자를 하단평판에 각각 리드선으로 연결한다. 고압전원의 다이알이 맨 왼쪽으로 돌아가 있음을 확인, 아직 전원을 켜지 않는다.

 

5) 전자저울을 켜고(자체 테스팅후, 0.00 이 될때까지 기다린다) 상단에 표시된 눈금을 이용하여 (적당한 기준점을 잡는다) 두 판사이의 간격을 4㎜ 로 조정하고 평행을 확인한다.

 

6) 고압전원을 켜고 서서히 다이알을 돌려서 두 극판사이의 전압을 4kV 정도로 맞춘다. 이때 전자저울에 표시되는 질량값을 읽고 데이타를 기록한다. 6kV, 8kV 일때도 작용하는 힘을 나타내는 질량값을 측정하고 아래와같은 표를 작성하여 데이터를 기록한다.

 

7) 상단 회전 손잡이를 돌려서 두 극판사이의 거리를 조절하고, 간격을 6, 8, 10, 12㎜로 변화시켜가며 위의 측정을 반복하고 데이타를 기록한다.

 

8) 실험이 끝나면 평행판 시료를 큰 것(r=75㎜; 작은판에 비해 면적이 2배)으로 교체하고 다시 위의 실험을 반복하여 측정, 기록한다.

 

9) 이론치, 와 측정치, 의 값을 비교하고 오차를 계산해본다. 만약 오차가 있다면 그 이유는?

 

10) 콘덴서판 사이에 유전체가 들어갈 때 차이를 알아보기 위해 유리판을 큰 원판의 하단부에 올려놓고 판 간격을 6㎜로 조정하여 정전용량을 측정하고 데이터를 기록해 보자. 이론식과 비교할때 유리에대한 유전율은 얼마인가?

 

11) 아크릴판 에 대해서도 위의 측정을 반복해보고 아크릴판의 유전율도 계산해 본다.

 

 

 

[공학물리학실험]축전기와 정전용량 레포트