[물리학실험] 등전위선 실험

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본문내용

전기력선과 등전위선이 수직임을 알 수 있었다. 두 번째 성질로는 점전하의 전기장이 쿨롱의 법칙을 따른다는 것이다. 쿨롱의 법칙에 의하면 거리 d와 전하 q의 전기쌍극자에 의한 전기장의 세기는 다음과 같이 구할 수 있다.
이를 통해 두 전하 사이에서 전기장의 세기가 가장 약한 곳을 알아보면 인 지점임을 알 수 있다. 이는 실험에서 전기쌍극자를 관통하는 직선위에서 중심부분의 전기력선이 가장 작은 크기의 벡터로 표현됨을 통해 확인할 수 있다. 뿐만 아니라 전기력선을 표현한 벡터의 크기가 이론값과 같은 경향성을 띈다는 사실로부터 위의 식이 실험에 부합함을 알 수 있다. 즉, 쿨롱의 법칙을 간접적으로 확인할 수 있다. 또한, 내부전하가 0이 되도록 가우스평면을 잡아보면 나오는 전기력선과 들어가는 전기력선이 벡터적으로 상쇄됨을 알 수 있다. 이를 통해 간접적으로 가우스의 법칙을 확인할 수 있다. 세 번째 성질은 전위의 개념에 관한 것으로, 전위는 불변값이 아니라 기준점의 위치에 따라 바뀔 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 우리가 측정한 등전위선에서 표현된 0.0 V는 그 위치가 측정하는 전위차에 대한 상대적인 기준점으로 작용하였다는 의미이며, 표시된 나머지의 전위값은 기준점으로부터의 전위차인 것이다.
이번 실험을 통해 등전위선과 전기장, 그리고 전기력선 등의 개념에 대해 확실히 할 수 있었다. 하지만 정성적인 결과를 통해 그 성질을 유추하는 과정 속에서 간과한 몇 가지 문제점이 있다. 일단 동전들 사이에 걸어준 전위차와 실제 측정된 등전위선을 통해 얻을 수 있는 전위차의 차이이다. 동전들 사이에 걸어준 전위차는 9.0 V였다. 하지만 등전위선의 그림을 통해 근사한 두 동전 사이의 전위차는 약 6.0 V로 약 3.0 V의 손실이 생겼다. 이는 동전과 도체 종이판 사이의 접촉면적을 통해 전하가 이동함으로써 발생하는 저항 때문이라고 사료된다. 동전이 실제 도체 종이판에 닿는 면적은 동전의 전체 면적에 비해 매우 적다. 일반적으로 저항은 전하가 흐르는 단면적에 반비례하므로 동전이나 도체 종이면 자체의 저항에 의한 손실보다는 둘 사이의 접촉면에서 발생하는 손실이 더 크다. 즉, 불연속적인 두 물체 사이에서의 전하 이동에 의한 전위차 강하에 의해 위의 실험결과가 도출되었다고 할 수 있다.
5. Reference
- Fundamentals of Physics, Halliday, p.585
- physlab.snu.ac.kr

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전기 마당,   등전위선 실험,   전기력선