[물리학 실험] 3-6 축전기의 전기용량과 R-C회로의 시상수 측정

목차

1. 목 적

2. 이 론
A. R-C 회로
B. R-C 회로의 충전
C. R-C 회로의 방전

3. 실험 방법
A. 충전과 방전
B. 시상수

4. 실험 결과
A. 충전과 방전
B. RC 시상수

5. 분석 및 토의

6. 고 찰

본문내용

※ Vc 이론값 계산
R=100㏀, C=330㎌, t=5s
=>
=>
B. RC 시상수
① 100㎌ 축전지 사용
횟수
R
C
T 이론값
tc
td
오차
1
100㏀
100㎌
10s
14.08s
13.52s
40.8%
2
14.12s
13.94s
41.2%
3
14.15s
14.05s
41.5%
4
14.01s
13.82s
40.1%
5
13.94s
14.10s
39.4%
평균값
100㏀
100㎌
10s
14.06s
13.89s
40.6%
② 330㎌ 축전지 사용
횟수
R
C
T 이론값
tc
td
오차
1
100㏀
330㎌
33s
47.56s
37.00s
44.1%
2
46.46s
36.54s
40.8%
3
46.98s
36.30s
42.4%
4
47.21s
36.70s
43.1%
5
47.30s
36.50s
43.3%
평균값
100㏀
330㎌
33s
47.10s
36.61s
42.7%
※ tc, td 이론값 계산
때까지의 시간_충전
=>
부터 까지의 시간_방전
C. 축전기에 따른 충전 및 방전 변화 결과
① 충전
② 방전
5. 분석 및 토의
① 축전기값이 증가함에 따라 충전과 방전 시간은 어떻게 변화하는가?
Sol) 축전기값이 증가함에 따라 충전시간과 방전시간은 증가하였다.
② 시간과 축전기값 사이에는 어떤 수학적인 관계가 성립하는가?
Sol) 시간과 축전기값 사이에는 충전시에는 지수승의 비례 관계가 성립하였으며, 방전시에는 지수승의 반비례 관계가 성립되었다.
6. 고 찰
이번실험은 R-C 회로의 시상수 측정을 확인하는 실험이었다.
첫 번째 실험에서는 저항과 축전기를 직렬로 연결해서 완전충전과 방전에 대한 실험을 하였다. 축전기에 전하가 충전되는 것을 축전기 양단의 전위차로 관찰 할 수 있었으며, 축전기의 방전 방법과 축전기의 초기 완전 방출 상태를 만드는 방법에 대하여도 알 수 있었다.
축전기의 성질은 전기를 충전하는 역할을 하는 것으로 실생활에서 전기 제품 속에서 전기를 충전하여 사용하는 원리를 축전기의 기본 실험을 통하여 알 수 있었다.
또한, R-C 회로의 전기적인 특성인 시상수를 알 수 있었는데, 위의 결과 값을 보면 축전지의 값이 증가함에 따라 충전시간과 방전시간이 늘어남을 볼 수 있었다.
하지만 실험시 이론값과 실험값과의 오차가 상당히 크게 발생함을 볼 수 있었다. 우선 충전 용량과 방전 용량의 측정 실험에서 10～20%의 오차가 발생되었는데, 이의 원인으로는 여러 가지가 있겠지만, 예상하기로는 우선 시간 측정의 부정확성을 들 수 있다. 5초마다 시간을 측정하여 전압을 측정하는 단계에서 실험자의 시각으로 시간을 측정하면서 오차가 발생하였다. 정확한 시간의 측정이 불가능하였기에 오차가 발생되었다.
두 번째로 회로 및 부품 자체의 오차를 들 수 있을 것이다. 회로내의 자체의 저항과 실험에 사용한 저항의 내부저항, 그리고 축전기의 부정확성으로 오차의 폭이 상승되었다. 사실 저항은 100㏀을 사용하였지만, 실제 저항값을 측정한 결과 99.1㏀의 저항인 것으로 나타났으며, 이론값의 결과를 실제 99.1㏀의 결과로 계산을 한 결과는 100㏀을 사용하였을 때보다 오차가 더 크게 나오게 되었다.
더불어 실험에 사용한 전지 또한 정확히 1.5V의 전압을 인가해 주지 못했다. 공급 전압기를 사용하지 않고 전지를 사용하였기 때문에 전지의 수명과 전지의 부정확한 전기 공급 또한 오차의 원인이 될 것이다.
그리고 방전시 시간 측정에도 시간의 시각적인 측정과 더불어 완전 충전의 상태에서 방전을 시작하지 못한 잘못이 있었다. 이는 장시간 축전기 사이의 전위차의 변화가 없었기에 완전 충전 상태라고 단정하고 실험을 실시하였지만, 보다 더 긴 시간을 두고 이론값과 비슷한 전위차까지 다다랐을 때를 완전 충전 상태라 지정하고 실험을 하였어야 했다. 이는 실험자의 잘못이었으며, 이후의 실험에서는 보다 정확한 이론 체계를 함양한 후 실험에 임하여 이러한 실수를 다시는 범하지 말아야 할 것이다.
이러한 오차를 줄이기 위해서는 시간의 부정확성을 극복하기 위해서는 실험을 보다 여러번 실시하여 이의 평균값으로 실험값을 도출하여 보다 정확한 값을 출력하여야 할 것이며, 회로내의 저항과 실험에 사용된 저항과 축전기의 내부저항은 보다 정밀한 부품을 사용하여 그 오차를 줄일 수 있을 것이다.
결론적으로 축전기의 기능을 보다 자세히 공부 할 수 있었던 실험이었으며, 기본적으로 사용되고 있는 축전지 회로인 미분기와 적분기에 대하여 차후 실험을 통하여 이의 원리를 보다 자세히 알고 싶다.

키워드

물리학 실험,   축전기,   전기용량,   R-C회로,   시상수 측정