[일반물리학 실험] 등전위선 측정

등전위선 측정

실험목적

도체판(또는 전해질)에 전류를 흐르게 하여 그 위에 등전위선을 그리고, 전기장과 등전위선에 관한 성질을 이해한다.

실험원리

이 실험에서는 매개물이나 전극사이의 전도체로서 탄소가 함유된 종이를 사용하고 전도성 잉크가 들어있는 펜을 이용한다. 전도성 잉크는 은(銀, silver) 성분을 포함한 현탁액이다. 잉크가 마르면 작은 은 성분들이 각각 전도성 경로를 형성한다. 잉크의 저항은 \(0.03\Omega/\text{cm}\)에서 \(0.05\Omega/\text{cm}\)사이이다. 이때, 종이는 한정된 저항을 가지고 있기 때문에, 전류는 저항이 작은 전도성 잉크를 통해 흘러간다.

 이 전류는 경로를 통해 발생하는 퍼텐셜(위치에너지) 강하의 원인을 전도성 잉크로부터 제공받는다. 잉크의 저항과 종이의 저항은 큰 차이 때문에 이 전압강하는 종이의 전압강하에 대해 \(1%\)미만이다. 따라서 실제 전극에서의 전압강하를 무시해도 된다.

등전위선

1) 대전 경로 스케치 (전극 배치)

(1) 종이의 일부분에서 실험하기 위한 대전경로의 레이아웃(크기, 모양, 상대적 간격)을 계획하고 스케치하라. 이 경로는 직선이나 곡선, 원, 점, 사각형 등의 이차원 모양이 될 수 있다. 대전경로가 실제적으로 잉크전극을 구성하고, 전극으로 볼 수 있다.

(2) 검은 종이 위에 전극을 그린다.

① 전도종이를 프린트가 된 면(부드러운 면)이 위에 오도록 위치시킨다. 코르크 판 위에 종이를 놓은 상태에서 전극을 그리지 않도록 한다.

② 전도성 잉크 펜의 뚜껑을 덮은 상태에서 10~20초 정도 충분히 흔들어 준다.

③ 준비한 전도종이에 잉크가 나올 정도로 펜을 가볍게 눌러 쓴다. 이때 선은 끊어지지 않을 정도로 천천히 그리도록 한다. 그리는 속도와 펜을 누르는 압력에 따라 경로의 너비가 결정되므로 일정하게 유지되도록 주의를 기울인다.

④ 남는 공간에 선을 한번 그려보고, 잘 나온다면 전도종이에 그린다. 정확한 선은 정확한 측정의 필수조건이므로, 만약 선폭이 일정하지 않다면 다시 그리도록 한다. 이 선은 상온의 공기 중에서 건조되는데 약 3~5분이 소요되나 20분이 지난 후에야 최대 전도도에 도달한다.

⑤ 모양자를 종이 위에 두고 펜을 이용해서 원을 그린다. (원하는 경우, 부드러운 연필로 기본 선을 그리고 나서 그 위에 잉크를 이용하여 그릴 수 있다.)

(3) 종이를 코르크판 위에 놓고, 종이의 모서리에 금속핀을 꽂아 고정시킨다.

2) 전극을 전원에 연결한 다음, 전위의 측정

(1) 연결 단자를 이용하여 전극과 전원 공급장치 사이를 연결한다. 이때 전원은 \(5~20\text{V}\) 사이로 설정한다. (가능하다면 실험에서 사용할 전압계는 표시되는 전압 범위 전체가 균등해야 한다.)

(2) 연결 단자를 전극 위에 놓고, 압핀으로 전도 종이를 코르크 판에 고정시킨다.

※주의: 전극에 닿아있는 전선 끝이 깔끔한지 확인한다. 접촉 불량을 일으킬 수 있다.

(3) 연결이 잘 됐는지 확인하기 위해서 전압계의 한 선을 압핀 근처의 전극에 연결한다. 전압계의 다른 쪽 선을 같은 전극으로 된 다른 지점에 연결한다. 전극을 제대로 설치했다면 하나의 전극 내부에서 측정된 최대 전위는 서로 다른 두 전극 사이에 측정된 전위의 1%를 초과하지 않는다. 만약 전압 값이 1%이상이면 기존의 종이를 제거하고 다시 제작한다.

3) 등전위 정하기

전압계의 (-)선을 전극의 압핀에 연결하고, 이것을 기준으로 삼는다. 다른 한 선으로 종이 위의 임의의 점을 찍어 그 점에서의 전위를 측정한다.

(1) 등전위선을 그리기 위해서 특정한 전위 값을 정하고, 그 값이 나타날 때까지 탐침을 이동시킨다.

(2) 연한 색연필로 이동을 표시한다.

(3) 전압계가 같은 값을 나타낼 때까지 탐침을 한 방향으로 이동시킨다.

(4) (3)을 반복하여 이런 점(등전위점)을 여러개 찾아낸다.

(5) 각 점들을 연결하여 등전위선을 만든다.

4) 전기력선 그리기

전기장 선을 그리기 위해서 전압계의 두 탐침을 약 \(1\text{cm}\) 정도의 간격으로 나란하게 하여 전도종이 위에 올려 놓는다. (이 때 탐침이 전극에 닿지 않도록 한다.) 두 개의 탐침을 테이프로 감는 것이 최선이다. 이렇게 하여 한 점에서 가장 큰 전위차를 갖는 점으로 이동해 간다.

※ 참고: 전도성 종이 위의 격자점을 제외한 검은 부분에서 측정한다.

(1) 전도 종이 위에 전기력선을 그리기 위해 양 극 중 하나의 근처에 놓는다.

(2) 다른 한쪽의 탐침을 종이 위에 위치시키고 전압계의 값을 읽는다.

(3) 접지에 연결된 탐침을 고정시키고 다른 탐침을 여러 방향으로 돌린다. 새로운 지점에서 측정한 전압 값을 각각 읽는다.

(4) 접지 점으로부터 전위차가 최대로 되는 부분으로 화살표를 그린다. 접지에 연결된 탐침을 화살표의 끝부분으로 옮기고, 같은 방법으로 화살표를 계속하여 그린다.

(5) 다시 전극으로 돌아와서 위와 같은 방법으로 몇 개의 전기력선을 그려본다. 결국 이 방법으로 그려진 화살표는 필드라인 형태일 것이다.

실험기구 및 장치

(1) 전도성 종이, 민무늬, \(45\times30\text{cm}\) (격자 없는 것)(50장)

(2) 전도성 종이, 검정, \(23\times30\text{cm}\) (격자 있는 것)(50장)

(3) 코르크 표면 보드, \(32\times48\text{cm}\) (1개)

(4) 전도성 경로를 그리기 위한 원형 템플릿 (1개)

(5) 종이와 물품보관을 위한 대형 플라스틱 트레이 (1개)

(6) 보드 종이를 부착시키기 위한 대형 플라스틱 트레이 (1개)

(7) 전도성 잉크 펜 (약 \(60\text{m}\)의 지속적인 라인을 위한) (1개)

(8) 프로브, 빨간색 리드 (1개)

(9) 프로브, 석묵 (1개)

(10) 와이어, 테스트 리드, 빨간색, \(18\text{awg}\) (1개)

(11) 점전하 디스크 (1개)

실험방법

실험 1: 평행판 축전기

실험 2: 서로 다르게 대전된 전극

실험 3: 같은 극으로 대전된 전극

참고자료:

이 공대생을 위한 일반물리학 실험, 경기대학교 일반물리학실험 교재편찬위원회, 북스힐,

http://gplab.phys.pusan.ac.kr/menu/menu02/02_equipotential_m.html

http://genlab.uos.ac.kr/exp_doc/new_epuipotential/equip.pdf