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1. 등전위선 측정 실험
1.1. 실험 목적
도체판에 전류를 흐르게 하여, 그 위에 등전위선을 찾고, 전기장과 등전위선에 관한 성질을 이해하는 것이 이번 실험의 목적이다. 전위차를 가진 두 전극 사이에는 항상 전기장이 존재하며, 시험전하 Q가 이 전기장 내에서 힘 F를 받을 때, 그 점에서의 전기장은 E=F/Q로 정의된다. 한편, 그 점의 전위 V는 단위전하당의 위치에너지로 정의된다. 전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재하며, 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다. 따라서 이번 실험을 통해 실제로 도체판 상에서 전기장과 등전위선의 관계를 이해할 수 있을 것이다.
1.2. 실험 기구
실험 기구는 등전위선 측정장치, 검류계, DC 전원 공급장치이다. 등전위선 측정장치는 전기장이 형성된 수조 판으로, 수조 안에는 전극이 설치되어 있다. 검류계는 도체의 저항, 두 점 사이의 전압 및 전류의 세기를 측정하는 장치이다. DC 전원 공급장치는 전자 기기를 동작시키기 위해 필요한 전압과 전류를 공급하는 장치이다. 이 외에도 등전위선용 그래프용지와 원형도체가 실험 기구로 사용된다.
1.3. 원리 및 이론
전위차를 가진 두 전극 사이에는 항상 전기장이 존재한다. 시험전하 Q가 이 전기장 내에서 힘 F를 받을 때, 그 점에서의 전기장은 E=F/Q로 정의된다. 한편, 그 점의 전위 V는 단위전하당의 위치에너지로 정의된다. 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. 전위차 DELTA V는 전기장 E와 미소변위 dl의 내적으로 표현되며, 이를 적분하면 DELTA V=-∫E·dl이 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 E=-{dV}/{|dl|}{̂n}이다. 따라서, 전기장 E는 등전위선에 수직이 된다.
1.4. 실험 방법
수조에 적당량의 물을 채운다. 두 전극에 전원을 연결한다. 검류계의 지침봉 A를 첫 번째 기준점으로 잡고 이 점에 대한 등전위점들은 전류의 흐름이 없으므로 검류계의 지침이 영을 가리키는 점들을 찾아 표시해둔다. 기준점을 이동하면서 판 전체에 걸쳐 등전위점들을 찾는다. 찾은 등전위점을 연결하여 등전위선을 그리고, 전기력선은 등전위선에 수직한 관계를 이용하여 전기력선을 그린다. 수조안에서 검침봉은 항...
