[로렌츠 힘]Electron Motion in a Magnetic Field

소개글

포항공대 물리학과 물리실험1 (2010)
세번째 실험인 Electron Motion in a Magnetic Field 결과보고서입니다.

물리학을 공부하는 학생이라면, 너무나 익숙한 로렌츠 힘을 이용한 실험입니다.

실험장치는 톰슨의 음극선 실험을 재현하는 방식으로 이루어졌으며,
전자의 정성적인 특성을 아는걸 넘어서
전자의 정량적인 물리값인 비전하가 어떻게 실험적으로 구해지는지를 배울 수 있습니다.

목차

1. 배경과 동기

2. 이론
1) 로렌츠 힘 (Lorentz force)
2) 헬름홀츠 코일(Helmholtz coil)
3) 비전하(e/m_e) 측정 원리

3. 실험방법
1) 준비물
2) 과정

4. 실험 결과 및 고찰

5. 결론

6. References

본문내용

균일한 자기장 내에서 움직이는 전하가 받는 로렌츠 힘을 확인하고, 이를 통해서 전자의 비전하를 구한다. 이번 실험에서는 비전하 측정 기구에서 가속된 전자를 쏘고, 이 전자를 헬름홀츠 코일을 이용하여 만든 균일한 자기장 내부에 통과시킨다. 이 때 전자는 로렌츠 힘을 받아서 원 궤도를 그리게 되는데 이를 분석하여 전자의 비전하를 구한다. 또한 이를 통해서 전자기적 이론이 실제 물리적 분석에 어떻게 이용되는지 알게 된다.

1. 배경과 동기
원자의 모형을 밝히기 위한 과학적인 노력은 돌턴의 원자설에서부터 시작된다. 이후로 많은 패러다임을 극복하면서 현재의 오비탈 형태의 원자모형까지 발전하게 되었다. 돌턴의 모형에서 새로운 패러다임을 제시했던 사람이 바로 음극선 실험을 하여 전자의 존재를 알아낸 톰슨(Joseph J. Tomson)이었다.
1897년 톰슨이 영국 캠브리지의 캐번디시 실험실에서 실시한 실험에서 강한 전압을 걸어주었을 때, 음극에서 밝은 빛줄기(음극선)가 발생하는 것을 발견하였다. 톰슨은 음극선이 가지고 있는 물리적, 전기적 실험을 하고, 이론적인 계산을 도입하여 결과적으로 음극선이 단순히 빛이 아니고 질량과 전하를 가진 물질이라는 결론을 내린다.

<중 략>

3. 실험방법
3.1) 준비물 : Power supply, e/m Experimental Apparatus(헬름홀츠 코일포함), Digital Multimeter, 도선
3.2) 과정
(1) 전원 공급 장치와 비전하관, Multimeter를 [그림 5]과 같이 연결한다. 실제 실험에서는 전원 공급장치와 Multimeter가 따로 되어있어서 이들을 직렬로 연결하였다.
(2) 비전하관의 필라멘트 가열 : 필라멘트에 교류전압을 0V부터 서서히 흘려보내 주어서 열전자가 발생하도록 한다. 열전자만 나오면 되므로 전압을 6V정도만 올려도 괜찮다.
(3) 음극-양극 사이에 고전압 걸어주기 : 음극과 양극 사이에 직류 전압을 0V부터 증가시켜준다. 전압을 200V까지 올려주었더니 음극선의 궤적을 눈으로 확인할 수 있었다.

참고 자료

http://100.naver.com/100.nhn?docid=829117(10.10월)
http://en.wikipedia.org/wiki/Lorenz_force(2010.10)
http://en.wikipedia.org/wiki/Helmholtz_coil(10.10)
http://physica.gnu.ac.kr/physede/modexp/e_m/main.htm(물리의 이해_ e/m 측정) (2010.10)
J. J. Thomson, "Cathode Ray", Philos- ophical Magazine 44 (1897), pp. 293-317.
http://edulab.postech.ac.kr(2010년 읽기자료)
http://www-ph.postech.ac.kr/Edulab/(2009년 읽기자료)