[물리 실험] 실험 2. 전하와 전하 사이 - 쿨롱의 법칙

목차

1. Introduction
(1) 실험 목적
(2) 이론적 배경

2. Experiment
(1) 실험 도구
(2) 실험 방법

3. Data & Result

4. Discussion

5. Reference

본문내용

의해 1/d^2,1/d^3,… 의 항들이 생겨나겠지만 d의 변화 범위가 작다면 무시할 수 있을 것이다).
(β도 모서리 효과에 의한 비례상수,β>1)
즉 받는 힘은
(αβ>1)
즉 모서리 효과를 고려하면 힘은 약간 커지겠지만 여전히 비례관계는 성립할 것이라고 예측할 수 있다 (). αβ>1이므로 유전율을 구할 때를 생각해 보면 실험에서 구한 유전율은 실제 유전율에 비해 약간 작아질 것이다. 하지만 판의 반지름이 판 사이 두께에 비해 매우 클 경우 αβ는 1에서 약간 큰 값이 될 것이므로 무한평면판으로 예측한 식을 적용한 경우와의 오차가 크지 않을 것이다.
④ 축전기 극판 사이에 유전체를 넣은 경우를 고려해보자. 위에서 결과 분석할 때 쓴 식들은 모두 무한평면판일 때를 기준으로 한 것이지만 앞의 ③에서의 논의처럼 여전히 물리량 간의 비례관계는 변하지 않는다고 볼 수 있고, 또 판의 반지름이 판 사이 거리에 비해 충분히 크므로 이 이론적 식들을 적용해도 괜찮다고 생각된다. 유리판의 경우에는 이 식들로 분석한 결과가 실제 실험의 그래프와 매우 잘 들어 맞는 것을 알 수 있다. 또 유전율비 역시 실제와 비슷한 값이 나왔다 (이 때 실험값이 실제값보다 작은 것은 ③처럼 모서리 효과에 의한 것도 생각해 볼 수 있다).
⑤ 그러나 아크릴 판의 경우에는 실험이 매우 어려웠다. 아크릴 판의 경우에는 두 판 사이의 전기장이 매우 세지면 저울의 눈금이 점점 줄어드는 것(음의 값이 줄어들었으므로 실제로 저울 위의 무게가 늘어나는 것 같은 현상)을 알 수 있었다. 따라서 전압을 8kV로 낮춰서 실험했으며 두께 역시 제한될 수 밖에 없었다. 또 다음 실험 (유리판+아크릴)에서 유리판을 극판쪽에 놓고 아크릴을 그 위에 놓은 경우 똑같이 저울 눈금이 줄어들고 오히려 아크릴을 극판쪽으로 놓았을 때에는 저울 눈금이 변화가 없었는데 이것 역시 설명할 수 있는 원인이 되어야 한다. 즉 유리판이 공기와 닿아 있을 때와 아크릴이 공기와 닿아 있을 때 차이가 생긴 것이다. 아크릴의 경우 저울 눈금이 줄어드는 현상의 원인을 여러 가지로 생각해 보았으며 처음에는 전기에 의해 달라붙은 먼지에 의한 효과가 아닌가 의심되었다. 그리고 아크릴이 축전기 판 사이에 있으면 모서리 효과에 의해 판에 가까운 쪽이 전기장이 세므로 아래쪽으로 힘을 받을 것이고 그것에 의한 것이 아닌가 생각해 보았으나 이 경우 눈금이 점점 줄어드는 것을 설명하기 힘들었다. 아니면 아크릴을 통해 판의 전하들이 빠져나가는 경우를 생각해 볼 수 있다.
⑥ 아크릴판의 실험 결과를 보면 이론적으로는 힘이 공기보다 더 커야하지만 거의 같은 것을 볼 수 있다. 이 현상의 원인 역시 ⑤의 현상과 관련이 있을 것이라고 생각된다. 일단 전압을 8kV 로 바꿔서 실험했기 때문에 다른 경우들 (10kV로 실험)과 비교하기에는 무리가 있었다고 본다. 물론 이를 보정하기 위해 힘에 (V_arc/V)^2 = (8/10)^2을 곱하여 그래프를 그렸지만 전압을 바꾸는 과정에서 다른 오차들이 발생할 가능성이 있다. 하지만 아크릴판을 유전체로 쓸 때 ⑤에서처럼 저울 눈금이 감소하는 효과가 나타났고 이로 인해 공기에 비해 힘이 그다지 크게 나오지 않았다고 볼 수도 있다.
⑦ 아크릴판의 실험에서 두 번째 그래프를 보면 기울기는 다른 유전체 (유리, 아크릴+유리)를 쓴 경우와 비교해서 그 비가 8/10에 가까운 것을 확인할 수 있다. 즉 기울기는 예측대로 잘 나왔으며 저울 눈금이 감소하는 효과는 d_air 와 F 사이의 비례관계에는 영향을 주지 않았다. 그러나 그래프의 y절편은 예상에 비해 매우 크게 나왔고 따라서 유전율비도 실제보다 작게 나왔다. 즉 저울의 눈금이 감소하는 현상은 아크릴의 유전율이 감소하는 것 비슷한 효과처럼 영향을 주고 있는 것 같다.
⑧ ⑤-⑦의 논의를 종합하여 생각해 보면 아크릴판의 이상한 현상들의 원인은 아크릴과 공기의 접촉에 의해 아크릴의 편극된 전하들이 줄어들기 때문인 것 같다. 그것이 공기중의 어떤 전하를 띈 물체들과의 접촉에 의한 것일 수도 있고, 아니면 다른 여러 원인이 있을 것이다. 어떤 원인에 의한 것인지는 구체적으로 알 수 없었지만 아크릴이라는 물질의 특성과 연관이 있을 것이라고 본다.
5. Reference
Serway & Jewett \'Principles of Physics, Third Edition\'
Halliday, Resnick & Walker \'Fundamentals of Physics, Fourth Edition\'

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물리학 실험,   전하,   쿨롱의 법칙,   쿨롱