콘덴서 충방전-건국대학교 물리학 및 실험-2

소개글

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목차

1. 실험 목표

2. 실험 원리

3. 실험 기구 및 장치

4. 실험 방법

5. 실험 결과
① 충전 시
② 방전 시

6. 토의
① 모든 실험값이 이론값보다 크다
② C값이 커질수록 오차율이 감소한다.

본문내용

1. 실험 목표
저항과 콘덴서로 이루어진 회로에서의 전류의 시간적 변화를 살펴본다.
2. 실험 원리
그림 2.4.1과 같이 콘덴서와 저항으로 이루어진 회로에서 콘덴서가 충전되는 동안 회로에 흐르는 전류는 회로의 법칙을 적용해 보면 ε-iR-q/C = 0이 되고 q/C 는 축전기 판사이의 퍼텐셜 차이이다.
여기서 q 와 I 모두가 시간에 따라 변한다. 이 식은 iR+q/C=ε로 쓸 수 있고, i와 q는 I = dq/dt 의 관계가 있으므로 R dq/dt+q/C=ε을 얻는다. 이 식은 전하 q의 시간에 대한 변화를 결정하는 미분 방정식이다. 이 식의 초기 조건은 t=0, q=0이라는 조건이 성립한다. 이 식의 해는 q = Cε(1-e^(-t/RC)) 이고, 이 식은 콘덴서에서의 전하 q의 시간에 따른 변화를 나타내 주는 식이다.
이 식을 d/dt로 미분을 하게 되면 i=dq/dt=(ε/R)e^(-t/RC)이 되어 전류의 시간적 변화를 나타내게 된다. 실험적으로 q(t)의 값은 콘덴서 사이의 퍼텐셜 차를 측정하므로 측정할 수 있다.
V_c=q/C=ε(1-e^(-t/RC))
마찬가지로 저항 사이의 퍼텐셜 차를 측정하면 i(t)를 측정할 수 있다.
V_R=iR=εe^(-t/RC)을 얻을 수 있다. 어떤 순간에도 V_c,V_R의 합은 기전력 ε와 같음을 알 수 있다.
지수 e 에 나타나는 양은 차원이 없어야 하므로 RC는 시간의 차원을 갖는다. RC를 회로의 용량형 시간 상수라고 하며 τ 라는 기호를 사용하여 나타낸다. 시간 상수는 콘덴서가 완전히 충전되어 평형 상태에 도달했을 때의 전하량의 (1-e^(-t/RC))의 63%가 충전되는데 걸리는 시간이다.
충전 과정은 기기의 스위치를 닫으면 콘덴서에는 아무 전하도 없으므로 판 사이에는 퍼텐셜 차가 생기지 않는다. 그러므로 회로의 법칙을 사용하면 저항 사이의 퍼텐셜 차는 기전력 ε와 같고 저항에 흐르는 전류는 ε/R이다.
이 결과는 전류가 흐르기 시작한 순간에만 맞는다.

참고 자료

일반물리학실험/건국대학교 물리학과/북스힐/2021.03.01/p.191~196