본문내용
1. 실험 개요
1.1. 실험 제목
등전위선 측정 실험이다.
1.2. 실험 목적
실험의 목적은 도체판에 전류를 흐르게 하여, 그 위에 등전위선을 찾고, 전기장과 등전위선에 관한 성질을 이해하는 것이다. 전위차를 가진 두 전극 사이에는 항상 전기장이 존재하는데, 이 전기장 내에 있는 시험전하에는 일정한 힘이 작용하게 된다. 그 지점에서의 전기장의 크기는 힘과 시험전하의 비로 정의된다. 한편 그 지점의 전위는 단위전하당의 위치에너지로 정의된다. 전기장 내에는 전위가 같은 점들이 존재하고, 이 점들을 연결하면 등전위선을 얻을 수 있다. 따라서 이번 실험을 통해 등전위선의 성질과 전기장과의 관계를 이해할 수 있게 된다.
1.3. 실험 기구
실험 기구는 등전위선 측정장치, 검류계, DC 전원공급장치이다. 등전위선 측정장치는 전류를 흘려보내어 도체판 위에 형성된 등전위선을 측정하는 장치이다. 검류계는 전류의 흐름이 없는 등전위점을 찾는데 사용되며, DC 전원공급장치는 도체판에 전류를 공급하는 역할을 한다. 이러한 실험 기구들을 통해 전기장과 등전위선의 관계를 실험적으로 관찰할 수 있다.
2. 이론적 배경
2.1. 전기장과 등전위선
전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재한다. 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다. 등전위선이나 등전위면은 전기장 내에서 무수히 많이 그릴 수 있다. 전기력선은 하나의 점전하 Q가 있는 점을 중심으로 하는 방사선이며, 등전위면은 Q점을 중심으로 하는 동심구면이 된다.
등전위면 위에서 전하를 이동시키는데 하는 일은 영이므로, 그 면에 접한 방향으로는 전기장의 값이 없다. 따라서, 전기장의 방향은 그 면에 수직이다. 전기장이 일을 한다는 것은 점전하가 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해 가는 경우이므로, 전기력선은 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 향한다. 따라서, 전기장 E의 방향은 그 점에서 전위차 DELTA V가 가장 급격히 감소하는 방향이며, 그 방향으로의 미소변위를 dl이라 하면, 전기장과 전위의 관계식은 또는 E=`- {dV} over {LEFT | dl RIGHT |} {hat{n}} 이다. 따라서, 전기장 E는 등전위선에 수직이 된다. {hat{n}}은 등전위면(선)에 수직인 단위벡터이다.
편의상 2차원 평면에 대해서 생각해 보면, 어느 도체판의 두 단자를 통해서 전류를 흘릴 때, 도체판 내에서의 전류의 유선 방향은 전기장의 방향을 나타낸다. 이 유선에 수직인 방향에는 전류가 흐르지 않으므로 전위차도 없다. 이와 같은 점을 이은 선은 등전위선이 된다. 따라서, 도체판 상의 두 점 사이에서 전류가 흐르지 않는다면, 이 두 점은 등전위선 상에 있는 점이 된다.
2.2. 전기장과 전위의 관계
전기장과 전위의 관계는 다음과 같다.
전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재한다. 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이...
