파워 서플라이
(건전지)
검류계
도전판1
도전판2
악어클립
기준단자
이동단자
등전위선(도전판)
EM-01
/ (EMN-01)
실험장치
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파워 서플라이 (건전지) |
검류계 |
도전판1 |
도전판2 |
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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
1. 도체판 또는 전도용액을 그림2와 같은 사각접시의 바닥에 놓는다.
2. 그림 2와 같이 고정전극 a,b 전극에 전원을 연결하여 전류가 0.1-0.5 A정도로 흐르게 전원조정을 하고 전원을 off 로 놓는다.
3. 검류계 단자에 전극 c,d를 연결한다. 검류계의 영점을 우선 맞춘다.
4. 전원의 켠후 전류계에 전류가 흐르는 것을 확인한 수 c 전극 끝을 적당한 곳에 고정시킨다. (편의상 c의 끝 점은 전극 a, b를 잇는 선상의 어느 점에 정하는 것이 편리하다.)
5. 이동단자 b의 끝점을 적당히 이동하면서 검류계의 바늘의 이동상태를 본다. 바늘이 심하게 이동하지 않은 곳은 c 점의 등전위점에 가까이 왔음을 의미한다. 다시 정밀하게 그 근처에서 움직여가며 검류계의 바늘이 영점이 되는 위치를 찾는다. 그래프 용지에 잘 표시하여 두고 하나의 등전위선을 그린다.
6. c 점의 위치를 적당한 위치에 이동하여 놓고 5의 실험을 반복한다.
7. 각 등전위선간의 전위차가 일정한 약 10개 정도의 등전위선을 얻고 그래프 용지에 옮겨 놓는다.
8. a,b 의전극 끝에 전당한 모양의 전극을 설치하여 다시 5,6,7의 실험을 반복한다.
기타사항