[현대물리학실험] 쿨롱의 법칙(Coulomb`s law) : 두 점전하 사이의 작용하는 전기력의 크기를 측정하고, 이 크기가 두 점전하 사이의 거리에 따른 변화와 두 전하량의 곱 따른 변화를 관계식으로 나타낼 수 있다

소개글

[현대물리학실험] 쿨롱의 법칙(Coulomb`s law) : 두 점전하 사이의 작용하는 전기력의 크기를 측정하고, 이 크기가 두 점전하 사이의 거리에 따른 변화와 두 전하량의 곱 따른 변화를 관계식으로 나타낼 수 있다에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 목 적

2. 실험원리

3. 기구 및 장치

4. 실험 방법

5. 실험 시 주의사항

* 참고 문헌

6. 실험결과

7. 분석

8. 고찰 및 개선사항

9. 참고 문헌

본문내용

.828F
1.0F
위 표를 두 전하량 q,Q의 곱에 대한 전기력으로 나타내면
qxQ(kV)
6
12
18
24
30
36
전기력(N)
0.138F
0.345F
0.483F
0.655F
0.828F
1.0F
참고5) 두 전하량의 곱과 전기력의 관계 그래프 (전기력F를 1000배해서 그래프로 나타내었다.)
이론으로 계산한 두 전하량의 곱과 전기력의 관계를 표로 나타내면
qxQ(kV)
6
12
18
24
30
36
전기력(N)
0.167F
0.333F
0.5F
0.667F
0.833F
1.0F
이론값과 실험값을 보면 약간의 차이가 남을 알 수 있다.
- r(Suspended Sphere와 Sliding Sphere사이의 거리)=6cm- q의 전하량=6kv의 실험 평균값으로 분석해 보자.
Q의 전하량(kV)
1
2
3
4
5
6
벌어진 각도(°)
2
3.5
5.5
7
8.5
10.5
참고1)을 통해 힘은 비틀림 각도에 비례함을 알 수 있으므로 벌어진 각도를 힘으로 바꿔서 말할 수 있다.
Q의 전하량=6kV 일 때의 전기력을 F라 하면 아래와 같은 표로 대신할 수 있다.
Q의 전하량(kV)
1
2
3
4
5
6
전기력(N)
0.167F
0.333F
0.524F
0.667F
0.81F
1.0F
위 표를 두 전하량 q,Q의 곱에 대한 전기력으로 나타내면
qxQ(kV)
6
12
18
24
30
36
전기력(N)
0.167F
0.333F
0.524F
0.667F
0.81F
1.0F
참고6) 두 전하량의 곱과 전기력의 관계 그래프 (전기력F를 1000배해서 그래프로 나타내었다.)
이론으로 계산한 두 전하량의 곱과 전기력의 관계를 표로 나타내면
qxQ(kV)
6
12
18
24
30
36
전기력(N)
0.167F
0.333F
0.5F
0.667F
0.833F
1.0F
이론값과 실험값이 거의 유사함을 볼 수 있다.
참고7) 전하량과 각도의 관계 그래프
따라서 참고 4,5,6을 통해 두 전하(Suspended Sphere와 Sliding Sphere)의 전하량의 곱은 전기력에 비례함을 알 수 있다.
-오차의 요인을 살펴보면
이론값에 해당하는 전기 힘과 실험값에 해당하는 전기 힘의 오차의 크기는 실험을 하는 도중의 환경적 요인의 오차로 설명이 가능하다. 오차의 주된 요인은 크게 2가지로 나눌 수 있다. 첫 번째는 Suspended Sphere와 Sliding sphere가 정확한 값으로 대전이 되지 않았을 가능성이 매우 크다. 두 번째는 실험 도중 (각도를 읽는 도중) 대전된 구가 방전이 되었을 가능성이 크다. 이는 전기력의 변화에 큰 영향을 준다.
이 주된 요인 말고 여러 요인이 있겠지만 그 요인은 Exp 1: Part A Force Versus Distance의 분석에 설명한 것으로 대신 하겠다.
8. 고찰 및 개선사항
이번 쿨롱의 법칙 실험에서는 대전된 두전하의 전하량의 곱과 두 전하사이의 거리에 따른 전기력의 관계를 알 수 있다. 따라서 대전된 두 전하의 전하량의 곱과 전기력의 관계를 나타내는 실험과 두 전하사이의 거리와 전기력의 관계를 나타내는 실험으로 나눌 수 있다.
-Exp 1: Part A Force Versus Distance
이 실험에서는 대전된 두 전하의 전하량이 일정하고(두 전하의 전하량의 곱이 일정하다) 거리에 따른 전기력을 알아 보았다. 이 실험 목적을 달성하기위해 두 전하의 전하량 q와 Q를 6kV로 일정하게 대전 시켜주었고, 거리를 3cm부터 10cm 까지(거리의 변화량은 1cm씩 주었다) 늘려가며 실험에 임했다.
측정식 1)
위 식에서도 볼 수 있듯이 결과를 말하자면 거리의 제곱()에 반비례함을 알 수 있다. 실제 실험 결과에서도 약간의 오차를 감안하면 거리의 제곱()에 반비례함을 증명할 수 있었다.
-EXP 2: Part B Force Versus Charge
이 실험에서는 두 전하사이의 거리가 일정하고, 두 전하의 전하량을 달리 하여 두 전하량의 곱에 변화를 주어 두 전하량의 곱에 따른 전기력의 관계를 알아보았다. 이 실험에서는 한 개의 전하(Suspended Sphere)에 고정 전압 6kV를 대전시켰고, 또 다른 한 개의 전하(Sliding sphere)에는 1kV부터 6kV까지(전압 값의 변화는 1kV씩 올렸다.)대전 시켜 실험에 임했다. 따라서 두 전하량의 곱의 변화는 6kV부터36kV까지(두 전하량의 곱의 변화는 6kV씩 올라간다)로 볼 수 있다. 측정 식 1을 통해 전기력은 두 전하량의 곱(qxQ)에 비례함을 볼 수 있다. 실제 실험 결과 값에서도 전기력은 두 전하량의 곱(qxQ)에 비례하며 나타나졌다.
이로써 쿨롱의 법칙 (전기력)가 에 비례함을 증명 하였다.
위 2개의 그래프를 살펴보면 주어진 그래프의 각도의 변화량이 실험한 각도의 변화량보다 많이 크다는 것을 알 수 있을 것이다. 실제 실험에서도 각도의 변화량이 너무 작아 실험 값을 측정함에 어려움을 느꼈다. 각도의 변화량 즉, 전기력이 너무 작다보니,Exp 1: Part A Force Versus Distance에서 거리의 제한이 있어(10cm 이상부터는 비틀림 각도를 측정하기 힘들었다.) 거리의 변화를 조금씩(1cm씩)으로 밖에 주지를 못하였다. 또한 각도의 변화량을 측정하기가 많이 힘들었다.
이처럼 각도의 변화량이 많이 작게 나온 이유를 분석해 보자면, 아마 실험 기구가 많이 노후 되어 두 구(Suspended Sphere와 Sliding sphere)에 원하는 전압의 양만큼 대전이 되지 않아 생각한 만큼의 전기력이 나오지 않아 각도의 변화량이 작게 나왔다고 생각할 수 있다.
비록 각도의 변화가 적었지만 쿨롱의 법칙실험에서는 전기력을 구하는 것 보다는 전기력과 두 전하의 곱 혹은 전기력과 두 전하사이의 거리의 관계를 증명하는 것이 중요하기에 실험 목표는 달성했다고 생각한다.
9. 참고 문헌
1. 대학물리학2/ YOUNG AND FREEDMAN/ PEARSON/ 712~718P
2. 기초전자물리학 실험2/ 이덕동/ 경북대학교 출판부/ 117~126P
3. http://www.doopedia.co.kr - 쿨롱의 법칙
4. http://www.ktword.co.kr - 쿨롱의 법칙

키워드

쿨롱의법칙,   현대물리실험,   전자기학실험,   물리실험,   쿨롱의 법칙,   Coulomb's law,   실험결과,   실험원리