본문내용
1. 전자기유도 (Faraday 법칙)
1.1. 실험 목적
긴 1차 솔레노이드 코일에 다양한 크기의 전류와 주파수로 자기장을 형성시킨 후 1차 코일 내로 삽입되는 2차 코일 양단에서의 유도기전력에 대하여 1차 코일의 전류와 주파수 및 2차 코일의 감은 수, 코일 반경 등의 상관관계를 이해하는 것이 이 실험의 목적이다.
1.2. 이론
패러데이(Faraday)와 헨리(Henry)는 코일에 단순히 자석을 넣었다 뺐다 함으로써 도선에 전류가 흐를 수 있다는 사실을 발견하였다"" 이와 같이 코일 내의 자기장을 변화시켜 전압이 유도되는 현상을 전자기유도라고 한다"" 전자유도에 의해 코일에 발생하는 유도 기전력의 크기는 자기선속의 시간적 변화율과 같은데, 코일에 미치는 자속의 변화가 심할수록 기전력은 증가하고 코일의 감은 수에 비례한다""
1.3. 실험기구
실험기구"
본 실험에서 사용된 실험기구는 멀티테스터, 오실로스코프, 함수발생기, 그리고 여러 개의 솔레노이드 코일이다.
멀티테스터는 1차 코일과 2차 코일에 각각 연결되어 전압을 측정하는 데 사용되었다.
오실로스코프는 파형 관찰이 필요한 경우에 연결되어 dual mode로 관찰할 수 있게 하였다.
함수발생기는 1차 코일에 인가되는 전류의 주파수 범위를 1kHz ~ 10kHz로 설정하는 데 사용되었다.
솔레노이드 코일은 총 6개가 사용되었는데, 1차 코일과 2-1차 코일부터 2-5차 코일까지 5개의 2차 코일로 구성되었다. 각 코일의 길이, 감은 수, 단면적 등 물리적 특성이 다르게 설계되었다.
1.4. 실험방법
실험 기구들을 위 그림과 같이 배치한다. 필드코일, 유도코일, 멀티미터, 함수발생기를 연결하고, 파형 관찰이 필요한 경우 2Ch 오실로스코프를 연결하여 dual mode에서 관찰한다. 함수발생기의 출력파형은 Sin파형으로 설정하고, 측정주파수의 범위는 1kHz ~ 10kHz 정도로 맞추어준다. 1차코일과 2차코일에 각각 멀티테스터를 설치하여 전압을 측정한다. 1차코일은 그대로 두고, 2차코일을 교환해가며, 그에 따른 유도전압을 측정한다. 이를 통해 이론값과 측정값을 비교한다.
1.5. 실험결과
실험 결과에 따르면, 1차 코일에 다양한 크기의 전류와 주파수로 자기장을 형성시킨 후 1차 코일 내로 삽입되는 2차 코일 양단에서의 유도기전력을 측정하였다. 1차 코일의 전류와 주파수 및 2차 코일의 감은 수, 코일 반경 등의 상관관계를 확인할 수 있었다.
측정 결과, 1차 코일의 전압은 2.47V, 저항은 11.3Ω이었다. 2차 코일의 경우, 2-1차 코일의 전압은 0.62V, 저항은 11.5Ω, 2-2차 코일의 전압은 1.05V, 저항은 17.8Ω, 2-3차 코일의 전압은 0.25V, 저항은 7.8Ω, 2-4차 코일의 전압은 0.39V, 저항은 11.8Ω, 2-5차 코일의 전압은 0.32V, 저항은 6.3Ω으로 나타났다.
이를 통해 1차 코일의 전류와 주파수 및 2차 코일의 감은 수, 코일 반경 등이 유도기전력 발생에 중요한 요인임을 확인할 수 있었다. 특히 자기장의 세기가 클수록, 2차 코일의 감은 수가 많을수록 유도기전력이 증가하는 경향을 보였다. 이는 Faraday 법칙에 부합하는 결과로, 전자기유도 현상을 잘 설명하고 있다고 볼 수 있다.
2. Electromagentic Induction-결과 보고서
2.1. 실험 목표
실험 목표는 다음과 같다.
첫째, 진동하는 코일이 자기장 공간을 지나갈 때 시간 t와 각도 θ에 대해 유도되는 전압을 측정함으로써 패러데이 법칙을 관찰하는 것이다. 이를 통해 자기장의 세기에 따른 유도 기전력의 크기를 파악할 수 있다.
둘째, 코일 진자의 진폭 손실을 측정하여 손실된 포텐셜 에너지와 저항에서 소비되는 전기에너지를 비교함으로써 에너지 변화를 확인하는 것이다. 이는 자기장 내에서 운동하는 코일 진자의 역학적 에너지가 어떻게 변화하는지를 알아보기 위한 것이다.
2.2. 실험 결과
2.2.1. 사용된 기호 정의
사용된 기호의 정의는 다음과 같다"
문자 의미
ε 유도전압
Φ 자기력선속
B 자기장
L 자기극판 사이 거리
Δ 차이 및 변화량
r 코일의 평균반지름
N 코일을 감은 횟수
θ 코일진자의 각변위
이는 실험에서 사용된 주요 기호들과 그 의미를 정의한 것이다"
2.2.2. 측정값의 측정 단위
측정값의 측정 단위는 다음과 같다"
시간에 대한 측정단위는 s(초)이다. 자기장의 세기를 나타내는 B의 측정단위는 T(테슬라)이며, 유도전압 ε의 측정단위는 V(볼트)이다. 그 외에도 코일의 반지름 r은 cm(센티미터), 코일의 감은 수 N은 무단위로 나타내었다. 이와 같이 실험에 사용된 물리량의 측정단위를 명시하여 데이터의 정확성을 확보하고자 하였다.
2.2.3. 자기장의 세기에 따른 평균 유도 기전력
자기장의 세기에 따른 평균 유도 기전력은 실험 결과를 통해 잘 관찰되었다. 우선, 그래프 해석을 통해 페러데이 법칙과 렌츠의 법칙을 확인할 수 있었다. 한 번 코일 진자가 왕복할 때, 두 번의 유도전압 위쪽 peak와 두 번의 아래쪽 peak가 나타났다. 이는 초기 각도에서 시작하여 진자가 자석 쪽으로 향할 때, 진자가 자석에서 멀어질 때, 그리고 다시 중력을 받으며 진자가 자석으로 가까워지고, 다시 멀어져 초기 위치 쪽으로 돌아올 때 진자가 받는 자기력선속(자기장의 세기가 자석에 가까워질수록 조밀해진다)이...
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