실험Guide

등전위선(도전판)
EM-01 / (EMN-01)

실험장치

	파워 서플라이 (건전지)	검류계	도전판
	악어클립	기준단자	이동단자

실험이론

[그림1] 전하와 등전위선

전위차를 가진 두 전극 사이에는 항상 전기장이 존재한다. 전하량 q의 하전입자가 전기장 내에서 힘 F를 받을때, 그 지점에서의 전기장은 E=F/q 로 정의된다. 한편 그점의 전위 V는 단위전하당의 위치에너지로 정의된다. (중력장에서의 위치에너지나 전기장의 전위에 의한 에너지나 같은 개념이다. 그 에너지만큼 외부에 일을 할 수 있는 상태에 놓이게 된다.)
전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재한다. 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다. 전기력선이나 등전위면은 전기장 내에서 무수히 많이 그릴 수 있다. 하나의 점전하 Q 가 만드는 전기장의 전기력선은 Q 가 있는점을 중심으로 방사선 모양이며 (그림1b 참조) 등전위면은 Q 점을 중심으로하는 동심구면이 된다. +Q의 점전하와 -Q의 점전하가 공간에 놓여 있을때는 [그림1c] 와같이 전기력선과 등전위면을 그릴수있다.
등전위면에서 전하를 이동시키는데 필요한 일은 0 이므로, 그 면에 접한 방향에는 전기장의 값이 없다. 따라서, 전기장의 세기는 그 면에 수직이다. 전기장이 일을 한다는 것은 정 전하가 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해가는 경우이므로, 전기력선은 전위의 높은곳에서 낮은곳으로 이동해간다. 따라서, 전기장 E의 방향은 그 점에서 전위 V가 가장 급격히 감소하는 방향이며, 그 방향으로의 미소변위를 dℓ 이라 하면, E와 V사이의 관계식은

V= -∫Eㆍdℓ

또는

E= -dV/dℓn

이다. 따라서 전기장 E는 등전이선(면)에 수직이된다. n은 등전이선(면)에 수직인 단위 벡터이다.
편의상 2차원 평면에 대해서 실험적인 이론을 생각해보자. 즉, 어느 도체판의 두 단자를 통해서 전류를 흘릴때, 도체판 내에서의 전류의 유선의 방향은 전기장의 방향을 나타낸다. 이 유선에 수직인 방향에는 전류가 흐르지 않으므로 전위차도 없다. 이와같은 점들을 이은선은 등전위선이 된다. 따라서, 도체판상의 두 점 사이에서 전류가 흐르지 않는다면, 이 두 점은 등전위선상에 있는 점이다.

실험방법

그림2 실험도

1. 전도잉크를 사용하여 실험 1, 2와 같은 원형, 직선, 점의 접촉점을 만든다.

실험 1 실험 2

은잉크펜(silver conductive pen)을 사용할 때 절대로 코르크보드위에서는 사용하지 말고 매끄럽고 딱딱한 표면위에서 그릴것

은이 포함된 도전잉크(conductive ink)는 20분후에 가장 전도도가 좋습니다.(최소 5분 기다릴 것)

2. 위의 그림과 같이 접촉점을 만든다.

3. 검류계 단자에 전극를 연결한다. 검류계의 영점을 우선 맞춘다.

4. 전원의 켠후 전류계에 전류가 흐르는 것을 확인한 후 전극 끝을 한 곳에 고정시킨다.

5. 이동단자의 끝점을 적당히 이동하면서 검류계의 바늘의 이동상태를 본다. 바늘이 심하게 이동하지 않은 곳은 등전위점에 가까이 왔음을 의미한다. 다시 정밀하게 그 근처에서 움직여가며 검류계의 바늘이 영점이 되는 위치를 찾는다. 그래프 용지에 잘 표시하여 두고 하나의 등전위선을 그린다.

6. 각 등전위선간의 전위차가 일정한 약 10개 정도의 등전위선을 얻고 그래프 용지에 옮겨 놓는다.

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