본문내용
1. 정전기 전하
1.1. 실험 목적
마찰에 의하여 유도된 정전기의 양과 극성을 Faraday 얼음통으로 측정하여 마찰전기의 특성을 이해하고, 도체들의 전위와 배치에 따라 도체 표면에 분포하는 표면전하의 밀도를 Faraday 얼음통으로 측정하여 정전기 유도 현상을 이해하는 것이 이 실험의 목적이다.
1.2. 실험 이론 및 원리
1.2.1. 실험 배경
겨울철 털옷을 벗을 때 혹은 양탄자 위를 걸은 후에 문의 손잡이를 잡으려고 할 때 정전기가 일어나서 순간적으로 전기 충격이 오는 것을 느낄 수 있다. 이런 현상은 다른 물질들이 서로 접촉하여 전자가 이동하기 때문이다. 이것을 접촉에 의한 대전이라고 한다. 두 물체를 마찰시키면 한쪽 물체는 (+)전기를 띠게 되고 다른 쪽은(-)전기를 띠게 된다. 하지만 마찰시키는 물체에 따라서 대전되는 전하가 상대적으로결정된다. 예를 들어 유리와 털가죽을 문지르면 털가죽은 (+)로 유리는 (-)로 대전된다. 그리고 같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어내고 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당긴다.
1.2.2. 실험 요점
정전기의 실험적 조사를 위해서는 전하를 탐지하거나 측정하는 장치가 필요하다. 이 목적을 위한 가장 일반적인 장치는 검전기이다. 검전기는 공통의 점에 수직으로 매달린 2장의 얇은 금박을 가진 장치로, 전하를 띤 물체를 검전기 근처로 가져오게 되면 금박이 분리되어 전하의 크기를 대략 보여준다. 하지만 검전기는 비교적 감도가 작고 정량적 표시를 가지고 있지 않다. 이에 비해 전하 센서는 전자 공학적 검전기와 같이 정량 측정을 제공할 뿐만 아니라 더 민감하고 극성을 직접 보여준다. 따라서 이 실험에서는 전하 센서를 사용하여 전하 발생기의 극성을 결정하고, 각 종류의 전하 발생기와의 접촉에 의해 Faraday Ice Pail로 옮겨진 전하량을 측정한다. 또한 전하 센서를 사용하여 유도로 인한 Faraday Ice Pail의 전하를 측정하는 것이 실험 요점이다.
1.2.3. 실험 원리
정전기는 분포가 시간적으로 변화하지 않는 전하 및 그 전하에 의한 전기 현상으로 마찰 전기 따위에서 볼 수 있다. 같은 종류의 전하사이에는 척력이 작용하고, 다른 종류의 전하 사이에는 인력이 작용한다. 패러데이의 얼음통 실험으로 이런 전하의 성질을 이용하여 전하분포를 확인한다. 전하 발생기를 패러데이 얼음통 내부에 접촉시키면 전하 발생기의 정전기가 패러데이 얼음통으로 이동하는 원리를 이용한다. 즉, 패러데이 얼음통 내부에 접촉시킨 전하 발생기의 정전기가 얼음통으로 이동하여 얼음통의 전하분포를 확인할 수 있다. 이를 통해 전하의 분포 특성과 전하의 이동을 이해할 수 있다.
1.3. 대전의 종류
1.3.1. 접촉에 의한 대전
접촉에 의한 대전은 두 물체를 마찰시키면 한쪽 물체는 (+)전기를 띠게 되고 다른 쪽은 (-)전기를 띠게 되는 현상이다. 이는 두 물체가 접촉하여 전자가 이동하기 때문에 발생한다.
마찰시키는 물체에 따라 대전되는 전하가 상대적으로 결정된다. 예를 들어 유리와 털가죽을 문지르면 털가죽은 (+)로, 유리는 (-)로 대전된다. 이때 같은 종류의 전하끼리는 서로 밀어내고 다른 종류의 전하끼리는 서로 끌어당기는 특성이 있다.
접촉에 의한 대전 현상은 겨울철 털옷을 벗을 때나 양탄자 위를 걸을 때 문의 손잡이를 잡을 때 등에서 흔히 경험할 수 있다. 이처럼 접촉에 의해 발생하는 정전기는 마찰전기라고도 불린다.
1.3.2. 유도에 의한 대전
대전된 막대를 도체 표면에 가까이 가져가면 도체에 접촉시키지 않고도 도체 내의 전자를 이동시킬 수 있다. 이것을 유도에 의한 대전이라고 한다.
대전된 물체를 도체 표면에 가까이 가져가면, 도체 내의 자유전자들이 대전된 물체의 전하에 의해 끌리거나 밀리게 된다. 이에 따라 도체 표면 근처에는 대전된 물체와 반대 극성의 전하들이 유도되어 모이게 된다. 즉, 대전된 물체 가까이에 있는 도체 표면에는 그와 반대 극성의 전하가 유도된다는 것이다.
이러한 정전기 유도 현상은 번개가 칠 때나 대전된 물체와 절연체가 가까이 있을 때 나타난다. 번개가 칠 때 공기 중의 전하가 대지로 유도되어 정전기 방전이 발생하고, 대전된 물체와 절연체가 가까이 있을 때 절연체 표면에 반대 극성의 전하가 유도된다.
유도에 의한 대전은 전하를 직접 전달하지 않고도 다른 물체에 전하를 생성시킬 수 있다는 점에서 접촉에 의한 대전과 구분된다. 접촉에 의한 대전은 두 물체가 서로 직접 접촉하여 전자가 이동하는 것이지만, 유도에 의한 대전은 두 물체가 직접 접촉하지 않고도 대전된 물체의 전기장에 의해 다른 도체나 절연체에 전하가 유도되는 것이다.
1.4. 실험 기구 및 장치
실험 기구 및 장치는 다음과 같다.
전하 센서(Charge Censor : CI- 6555)는 물체의 전하량을 정량적으로 측정할 수 있는 장비이다. 전하 센서는 전자 공학적 검전기와 같은 역할을 하며, 전하의 크기와 극성을 직접 보여준다. 이를 통해 전하 발생기의 극성을 결정하고, 접촉에 의해 'Faraday Ice Pail'로 옮겨진 전하량을 측정할 수 있다. 또한 유도로 ...
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