비전하 실험 예비 및 결과보고서

소개글

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목차

1)실험목적

2)이론

3)실험장치

4)실험방법

5)결과 및 고찰

6)오차분석

7)결론 및 토의

본문내용

자기장이 같은 방향이 되도록 흘러야 한다. 중간점에서의 자기장의 세기는 (11)식과 같이 얻어진다.
3) 실험 장치
- e/m 튜브 (전자총, 가속기, 헬륨가스 등)
- 컨트롤박스 (헬름홀츠코일, 눈금자 등)
- 천 덮개
- 전원공급장치 2개
- 멀티미터 2개 (전압측정기 1개, 전류측정기 1개)
4) 실험 방법
⑴ 불켜진 실험실에서 실험을 한다면 실험장치 위로 빛을 차단할 수 있는 덮개를 덮는다.
⑵ e/m MEASURE 위치로 토글 스위치를 맞춘다.
⑶ 헬름홀츠코일의 전류조정단자를 OFF시킨다.
⑷ 그림 10-4와 같이 전원장치를 컨트롤박스에 연결하고 전압계와 전류계를 연결한다.
⑸ 아래와 같이 전원장치의 전압을 조절한다.
전자총 : HEATER - 6.3 VAC 또는 VDC
: ELECTRODES - 150 ~ 300 VDC
헬름홀츠코일 : 6 ~ 9 VDC
⑹ 헬름홀츠코일전류 조정단자를 시계방향으로 천천히 돌린다. 전류계를 보면서 2A를 초과하지 않도록 주의한다.
⑺ 음극이 가열될 때까지 몇 분간 기다린다. 음극이 가열이 되면 전자총에서 전자빔이 나오는 것을 볼 수 있으며 헬름홀츠코일로 발생된 자기장에 의하여 이들 전자들은 곡선을 그리게 된다. 전자빔이 헬름홀츠코일과 평행한지 검사한다. 평행이 되지 않으며 e/m 튜브를 돌려 평행하게 맞춘다.
⑻ 필라멘트에서 나오는 전자를 가속시키는 전압을 측정하고 표에 기록한다.
⑼ 헬름홀츠코일에 흐르는 전류를 측정하고 표에 기록한다.
⑽ 전자빔의 반경을 측정하고 표에 기록한다.
5) 실험 결과 및 고찰
⑴ 실험 데이터
헬름홀츠코일전류()
1.36
헬름홀츠코일의 반경(a)
15cm
가속전압()
200
자기장()
0.0010599T
원형경로의 반경(r)
4.5cm
e/m
1.76×C/kg
오차
0.57%
V = 가속 전위
a = 헬름홀츠코일의 반경
N = 각 헬름홀츠코일의 감은 수(130)
= 투과상수(4×T·m/A)
I = 헬름홀츠코일을 통과하는 전류
r = 전자빔 경로의 반경
e = 전자의 전하량
m = 전자의 질량
e/m의 이론값 1.75×
⇒ 헬름홀츠전류값(I)과 헬름홀츠코일의 반경(a)을 구하여 의 식에 대입하여 자기장(B)를 구할 수 있다. 그리고 의 식에 측정된 가속 전압(V)과 표 우측에 제시된 값들을 대입하면 을 구할 수 있다.(이론값과 이루는 오차가 0.57%로 아주 정확한 실험을 했다고 할 수 있다.)
그림(2)-1. 자기장에 수직한 방향으로 전하가 입사하는 경우
⇒ 실험을 통해 관찰한 전자빔은 원형의 파란색 고리모양으로 측정되었다. 먼저 파란색으로 측정된 이유는 헬륨 가스의 반응에 의해 발생된 색 때문이다. 그리고 고리모양으로 측정된 이유는 다음과 같다. 원래 그림 (2)-1에 나타난 바와 같이 세기가 B인 균일 자기장이 왼쪽 위에서 오른쪽 아래로 형성되어 있는 공간에 전하량 q인 양전하가 자기장과 수직하게 속도 v로 투입되었을 때, 이 전하에는 운동방향에 항상 수직한 방향으로 자기력이 작용하여 원운동을 하게 한다. 결국 이 전하의 입자는 자기장에 수직한 면내에서 등속 원운동을 한다. 따라서 이 경우의 자기력은 구심력의 역할을 한다.
⑵ e/m튜브를 살짝 돌려가며 관찰하는 실험
- e/m튜브를 돌려가며 관찰했을 때, 고리 모양으로 측정되던 전자빔이 나선형으로 관찰이 되었다.
⇒ 실험 ⑵에서는 그림 (2)-2에서 보는 바와 같이 전하가 자기장 방향과 인 각도로 등속도 v로 입사하였을 경우에는 이 속도를 자기장에 평행한 성분 V// = Vcos 와 수직한 성분 V = Vcos로 분해하여 생각하면, 식 에서 알 수 있는 바와 같이 자기장에 평행한 성분으로는 힘이 작용하지 않아서 평행한 방향으로는 V// = Vcos 의 속도로 등속 직선운동을 한다. 그러나 자기장에 수직한 성분에 대해서는 자기력 가 작용하므로 이 힘을 구심력으로 하는 원운동을 하게 된다. 따라서 전체적으로 전하는 그림 (2)-2에서 나타난 것과 같은 나선운동을 하게 되는 것이다. (대학생을 위한 기초물리학 참조)
그림(2)-1. 자기장에 의 각으로 전하가 입사하는 경우
6) 오차분석
육안으로 측정하는 데 한계가 있다.
- 육안으로 전자빔의 반경을 측정하는데 시선을 일직선으로 맞추어야 하는데 정확히 맞추어 눈금을 확인하는데는 어려움이 있었다. 이러한 값의 오차가 실험 데이터에 영향을 미친 것 같다.
기계적인 결함으로 전자빔이 다소 흐리게 측정되었다.
- 다른 조들에 비해 다소 전자빔이 흐릿하게 측정되어 원의 반경을 측정할 때 기준을 둘 선을 거의 가운데로 설정하였다.
③ 가해지는 전류를 정확하게 적용시킬 수 없다.
- 전류 값을 수동으로 조정해서 설정하는데다가 값이 정확하게 맞추어 진다고 해도 소수점 까지 처리를 하지 못하기 때문에 이에서 오는 오차가 존재 할 것이다.
7) 결론 및 토의
이번 실험은 간단하게 끝났지만 물리2에서 자기장 파트에서 다루었던 중요한 이론을 눈으로 확인할 수 있었던 실험이었다. 균일한 자기장 속에 전하가 수직 입사했을 때와 비스듬히(각) 입사했을 때의 전하의 운동 형태에 관한 것인데, 전자의 경우에는 전하가 원운동을 하였고, 후자의 경우에는 나선운동을 하였다. 이는 물리학2의 강의를 들으면서 이론으로 접했던 내용이었는데 이를 직접 눈으로 관찰 할 수 있어서 의미 깊었던 실험이었다.
이번 비전하실험을 끝으로 물리학 실험2의 열 가지 실험을 모두 끝냈다. 1학년 때 물리학 실험 1을 들은 경험이 있었는데 3학년이 되어서 듣는 실험과 그때의 느낌은 정말 비교 할 수 없다. 1학년 때는 멋도 모르고 물리 공부도 제대로 하지 않은 상태에서 하던 실험이라 실험의 의의를 제대로 찾을 수 없었고 데이터를 분석하는데도 미흡한 점이 많았다. 하지만 이번 물리학 실험 2 수업은 실험을 하면서 같이 병행해서 수강하는 물리학 2 수업 덕분인지 몰라도, 실험 내용의 이해가 쉽고 실험이 재밌었다. 개인적으로 물체의 운동에 관련된 단원보다 전기와 빛에 관한 내용이 재밌어서 그런지 실험도 재밌었고 나의 호기심과 의문을 채워주는데 큰 도움이 되었다. 끝으로 실험을 진행하는데 많은 이론을 가르쳐주시고 도움을 주신 교수님께 감사의 말씀을 드린다.

키워드

비전하,   헬름홀쯔,   자기장