물리학실험 - 전류가 만드는 자기마당

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물리학실험 - 전류가 만드는 자기마당에 대한 보고서 자료입니다.

목차

물리학실험 - 전류가 만드는 자기마당

1. 실험 목적
2. 실험 개요
3. 배경 이론
4. 실험 기구 및 장치
5. 실험 방법
6. 실험 결과
7. 결과 및 토의

본문내용

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1.442485
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1.474772
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1.399437
자기장 벡터 그림
실험 결과와 같이, 자기장의 크기는 도선 중심에서 멀어질수록 작아지고, 자기장 벡터의 화살표 방향은, 도선 축을 중심으로 삼은 원을 그렸을 때 접선 방향인 것을 알 수 있다.
7. 결과 및 토의
이번 실험은, 홀 센서라는 것을 이용해서, 자기장이 전류에 의해 생기는 자기 마당이 어떤 모양을 나타내는지, 어떤 크기를 나타내는지를 보고 확인한 실험이었다. 이번 실험에서는 크게 세 가지 실험을 했다. 첫 번째 실험은 솔레노이드에 흘려 보내는 전류의 크기가 변하면 솔레노이드의 중심에서 자기마당의 세기가 어떻게 변할지를 알아본 실험이었다. 이 실험에서 전류의 세기에 대략 비례하여 의 식을 따라서 자기마당의 세기가 커졌음을 알 수 있다. 그런데 이상하게도, 0.3A이상의 전류에서는 모든 자기마당의 값이 20G로 일정했다. 이론대로라면, 그 이후의 자기마당의 세기도 전류의 세기에 비례하여 계속 커졌어야 할 것이다. 이것은 왜 이러한가? 그것은, 초기에 0점 조절을 제대로 하지 못했기 때문으로 풀이된다. 실험실은 완벽하게 자기마당이 차단된 공간이 아니다. 실험실에는 각종 전기 기구들이 많이 있는데, 거기서 흘러나오는 자기마당이 처음 홀 센서 0점 조절을 할 때 영향을 미친 것으로 풀이된다. 홀 센서가 감지할 수 있는 자기 마당의 크기에는 한계가 있을 텐데, 이미 0이 아닌 자기 마당의 크기를 0이라고 정해 주었기 때문에, 그 한계를 넘어선 범위에서는 계속해서 20G를 가리킨 것으로 풀이된다.(그런데 또 다른 반에서 실험한 친구들의 데이터도 대부분 이랬기 때문에 이 원인이 맞는 것인지는 잘 모르겠다.) 두 번째 실험은 솔레노이드에 흘려보내는 전류의 세기는 고정한 채, 홀 센서를 솔레노이드의 중심으로부터 점차 멀리했을 때 나타나는 자기마당의 세기를 측정한 실험이었다. 이상적인 솔레노이드에서는 솔레노이드 속의 자기마당의 크기가 일정해야 한다. 실험의 결과는 솔레노이드 내부의 자기마당이 모두 20G로 일정하게 나왔는데, 실험실의 솔레노이드는 이상적인 솔레노이드가 아니므로, 사실 정확한 결과라고 보기 어렵다. 그것도, 홀 센서가 솔레노이드를 빠져나오기 직전의 지점에서는 아무리 이상적인 솔레노이드(촘촘히 감긴)라고 해도 똑같은 자기마당이 측정됐다는 것은 납득하기 어렵다. 실험실의 솔레노이드가 그래도 이상적인 솔레노이드에 가깝기 때문에 20G근처의 값들이 나오는 것은 이해할 수 있지만, 완벽하게 20G의 값만을 나타낸 것은, 첫 번째 실험에서 지적했던 문제점과 관련이 있는 것 같다. 두 번째 실험에서 사용한 전류의 세기는 1.5A로써, 이미 0.3A를 넘어서면 홀 센서의 측정 한계치를 넘어서므로, 실제로 만약 솔레노이드 한가운데는 100G, 중심에서 1cm떨어진 곳은 95G, 2cm떨어진 곳은 80G 등등이었다면, 센서는 이것을 모두 20G로 측정할 수밖에 없었을 것이다. 아마, 이 원인 때문에 뜻밖에도 실험실의 솔레노이드가 이상적인 솔레노이드와 비슷한 결과를 내 놓은 것으로 생각된다. 또, 솔레노이드를 벗어난 후의 자기마당의 크기에서도, 자기마당의 세기의 이론 값보다 실험 값이 훨씬 큰 것도, 실제로는 20G이상의 자기마당이 형성되었기 때문에, 솔레노이드 밖에서도 훨씬 강력한 자기마당이 형성되어서 훨씬 큰 값의 자기마당이 측정된 것으로 풀이된다. 또, 여기에는, 완벽하게 홀 센서를 솔레노이드의 중심 축에 갖다 대지 못했기 때문에 생긴 오차도 크게 작용했을 것이다.(손으로 센서봉을 잡고 있어야 하니, 가운데 축에 있지 못하고 덜덜 떨렸다.) 또, 센서봉이 솔레노이드를 빠져나와서 간 쪽이 컴퓨터가 있었던 쪽이어서, 컴퓨터에 의해 자기마당이 교란됐을 가능성도 배제할 수 없다. 세 번째 실험은 사각 줄토리에 의해 생기는 자기마당의 크기와 방향을 알아본 실험이었다. 이 실험의 결과에서는, 줄토리의 직선 부분을 전류의 흐름 방향으로 오른손으로 감쌌을 때의 방향이 자기마당의 방향이라는 것을 확인할 수 있었다. 또, 전류가 흐르는 축을 중심으로 폐곡면을 잡았을 때, 곡면의 면적이 작은 안쪽은 자기마당의 크기가 크고, 곡면의 면적이 큰 바깥쪽은 자기마당의 크기가 작은 것을 확인함으로써, 결국, 각각의 자기마당의 합들은 같을 것이라는 비오-사바르의 법칙을 실감할 수 있었다. 여기서는 180。쪽의 자기마당의 크기가 가장 세다는 것을 알 수 있는데, 이것은, 그 부분이 줄토리의 안쪽이었기 때문에, 양쪽 줄토리 부분에 의해 생기는 자기 마당이 더해지면서 그 자기마당의 세기가 더 커진 것으로 풀이된다. 0。인 부분은, 180。인 부분과 변화 경향은 비슷하지만, 그 세기가 작다. 이것은, 180。부분과는 달리, 줄토리의 바깥쪽이기 때문에, 반대쪽에 흐르는 전류에 의한 자기마당이, 중심축에 흐르는 전류에 의해 생긴 자기마당을 상쇄시켰기 때문으로 풀이된다. 또, 다른 곳과는 달리 270。쪽과, 90。쪽의 자기마당은 그 변화 폭이 미미한데, 그것은 줄토리가 만드는 평면과 평행한 방향이었기 때문에, 안쪽 줄토리와 바깥쪽 줄토리가 만드는 자기마당이 대부분 평행한 성분으로만 작용했기 때문에, Z축 방향으로 작용한 성분이 거의 없었기 때문으로 풀이된다. 이것으로 네 방향에서 자기마당의 세기의 변화 양상이 다르게 나타난 원인을 분석할 수 있다.
이번 실험은 실험 방법 중에서 제일 처음에 0점 조절하는 것이 상당히 까다로웠다. 실제로, 우리 조에서도 처음에 0점 조절이 잘 안되어 엄청난 크기의 자기마당이 실시간으로 변하는 것이 측정되기도 했다. 그 후에 제대로 했다고 생각했던 0점 조절도 실제로는 잘 되지 않았던 것이었던가 보다. 아무래도 실험 값과 이론 값과의 괴리가 너무 컸다. 대충의 경향은 이론 예상대로 나왔지만, 정확도가 떨어졌다. 그러나, 그만큼 오차 원인 분석에 공을 들였으니, 나름대로 얻은 것은 많았던 실험이었다고 생각한다.

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