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물리학 실험 - 17 자기장

실험 결과자기장Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)Ⅲ. 실험 결과Ⅳ. 고찰Ⅴ. 질문과 답Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론1. 실험목적· 자기장의 방향과 크기를 이해한다.· 전류가 흐르는 도선 주변의 자기장을 구하고 설명한다.2. 배경 및 이론영구 자석 주변으로 자기장이 형성되며 그 모양은 자기력선으로 표현할 수 있다. 자기력선은 그림과 같이 자석의 N에서 나와 S극으로 들어간다.자기정은 움직이는 전하에 의하여 발생한다. 또한 자기장은 전기장과 마찬가지로 벡터장이다. 자기장의 방향은 그림과 같이 오른손 법칙으로 구할 수 있다.자기력선은 자기장을 표현하며 자기력선에는 몇 가지 규칙이 적용된다. (1) 자기력선 위 한 점에서의 접선방향은 그 점에서 자기장의 방향이다. (2) 자기장선9사이의 간격은 자기장의 크기를 나타낸다. 자기력선이 촘촘한 지역에서는 자기장이 세고, 성근 지역에서 자기장이 약하다. 자기력선은 N극에서 나와서 S극으로들어간다.암페어 법칙은“임의의 폐곡선을 지나는 자기장을 모두 합하면 그 폐곡선으로둘러싸인 공간 안의 알짜전류에 비례한다.”로 정의한다.Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)1. 실험 기구· 컴퓨터· 전자기장 시뮬레이션 프로그램(EM Field)· 자기장 센서 (Magnetic Field Sensor : CI-6520)· 회전운동센서 (Rotary Motion Sensor : CI-6538)· 받침대와 지지막대 (Base and Support Rod : ME-9355)· Variable Gap Magnet (EM-8618)· 금속레일· 실2. 실험 방법1) 바탕화면에서 EM Field 아이콘을 찾아 클릭하여 EM Field 시뮬레이션을 실행하라.2) 메뉴 막대에서 Source를 찾은 후 클릭한다. 그러면 세 가지 메뉴가 나타난다. 각 메뉴가 의미하는 바는 다음과 같다.· 3D point charges : 점전하를 나타낸다.· 2D charged rods : 전하가 균일하게 분포된 무한히 긴 막대를 나타낸다. 막대에 전하들이 균일하게 분포되어 있으므로 전기장의 방향의 막대의 방향과수직하게 나타난다.· 2D line currents : 전류가 흐르는 무한히 긴 도선을 나타낸다. 도선 주위로자기장이 형성된다.3) 메뉴에서 2D line currents를 선택한다. 창 하단에 다양한 크기의 전류가 흐르는 무한히 긴 도선이 나열되어있다. (원은 도선의 단면을 나타낸다. 속이비어있는 도선은 전류가 화면 밖으로 나오는 방향이고 속이 차있는 도선은전류가 화면 안으로 들어가는 방향이다.) 하단에서 원하는 도선을 선택하여창 중앙으로 끌어온다.4) 메뉴 막대에서 그림과 같이 Field and Pontential을 선택한다. Field andPotential에 나타나는 각 항목들과 의미는 다음과 같다.· Field Vectors : 도선 주변의 자기장의 크기와 방향을 표시하여 준다.· Directional arrow : 선택한 점에서 자기장의 방향을 표시하여 준다.· Field lines : 도선들 사이의 자기력 선을 표시하여준다.· Ampere’s Law : 도선 주변에 폐곡선을 그릴 때 사용한다.5) Field and Potential에 나타나는 항목들을 이용하여 다음의 수행과제를 실행한다.< 수행과제 >· 양전류 자기장의 방향, 크기 설명· 음전류 자기장의 방향, 크기 설명· 자기력선 형태 설명- 양전류 + 음전류- Solenoid(솔레노이드) 코일 ( L >> R )- Helemholtz(헬름홀츠) 코일 ( L= 2R ) : 전류방향 같도록- Helemholtz(헬름홀츠) 코일 ( L = R ) : 전류방향 같도록- Helemholtz(헬름홀츠) 코일 ( L = R ) : 전류방향 다르게· 암페어 법칙 설명< 실험 2. 거리에 따른 자기장의 변화>6) Pasco Capstone을 실행하라.7) 바탕화면에서 Pasco Capstone을 실행하라,8) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여하드웨어 설정 창을 열라. 하드웨어 설정 창 안의 Pasco 550 universalinterface 디지털 채널과 아날로그 채널 A를 클릭하여 각각 회전운동센서(Rotary Motion Sensor)와 자기장 센서(Magnetic Field Sensor)를 선택하라.9) 디스플레이 팔레트에서 Graph를 더블 클릭하여 그래프 창을 열어라. 열린Graph에서 x, y 축의 Select Measurement를 각각 위치(Position)와 자기장 강도(Magnetic Field Strength)로 선택하라.10) Pasco 550 universal interface의 디지털 채널과 아날로그 채널 A에 회전운동 센서와 자기장 센서를 각각 연결하라.11) 실험을 위하여 자기장 센서를 아래 그림과같이 설정하라. 실험 시작 전 항상 자석과 가장 멀리 떨어진 지점에서 Tare 버튼을 누른 다음 실험을 시작하라.12) 다음 그림과 같이 Variable Gap Magnet과 운동 센서 사이에 레일을 설치하라. 그 다음 레일 안에 자기장 센서를 설치하고 자기장 센서에 실을 연결하라.13) 기록 버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작한 후 자기장 센서에 연결된 실을 천천히 잡아 당겨 거리에 따른 자기장의 크기를 측정하고 그래프를 저장하라.Ⅲ. 실험 결과- 그림 1. 양전류- 그림 2. 음전류- 그림 3. 양전류 + 음전류- 그림 4. Solenoid(솔레노이드) 코일 ( L >> R )- 그림 5. Helemholtz(헬름홀츠) 코일 ( L = 2R ) : 전류방향 같도록- 그림 6. Helemholtz(헬름홀츠) 코일 ( L = R ) : 전류방향 같도록- 그림 7. Helemholtz(헬름홀츠) 코일 ( L = R ) : 전류방향 다르게- 그림 8. 암페어 법칙 설명- 그래프 1. 자석으로부터 거리변화에 따른 자기장의변화 설명 (자석간 거리 짧음)- 그래프 2. 자석으로부터 거리변화에 따른 자기장의 변화 설명 (자석간 거리 긺)Ⅳ. 고찰1) 양전하, 음전하를 가지고 벡터를 표시하여 크기와 방향을 알아보기 위한 첫째, 둘째 실험의 결과 그림을 살펴보면, 양전하의 경우는 자기장 벡터의 방향은 시계 반대방향이고, 양전하의 크기가 3이기 때문에, 전하로부터 1만큼 떨어진 거리에서 3의 크기를 나타내고, 거리가 3만큼 떨어진 거리에서 1의 크기를나타낸다. 음전하의 경우에는 자기장 벡터의 방향은 시계 방향이고, 음전하의크기가 3이기 때문에 양전하와 같이 전하로부터 1만큼 떨어진 거리에서 3의크기를 나타내고, 거리가 3만큼 떨어진 거리에서 1의 크기를 나타낸다.2) 그림 3에서 7까지 살펴보면, 자기력선이 그려진 것을 확인할 수 있다. 전부2개 이상의 전하들이 분포된 실험의 결과 사진이다. 그림을 살펴보면 전하들이뭉쳐있는 구역의 바깥부분보다, 구역의 중앙부분에서의 자기력들이 더 촘촘하게 분포되어있는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 자기력선이 촘촘하게 분포되어있는 구역 안쪽 부분의 자기장이 바깥쪽 자기장보자 세게 형성되어 있음을알 수 있다. 한 가지 더 살펴보면, 자기장이 강하게 형성되어있는 부분이 붉은색으로, 자기장이 약하게 형성되어있는 부분이 보라색에 가까운 색으로 자기력선에 표시되어있음을 확인할 수 있다.3) 그림 8은 암페어 법칙에 대해 알아보는 실험의 결과이다. 암페어 법칙은 임의의 폐곡선을 지나는 자기장을 모두 합하면, 그 폐곡선으로 둘러싸인 공간 안의 알짜 전류와 자기장이 비례하다는 법칙이다. 실험에서 임의의 폐곡선 안에존재하는 전하는 1A, 5A, -3A, -1A의 총 네 가지 전하이다. 이 전하들의 총 합은 2A이다. 그래서 사진에서 I(전류)의 총 합이 2A로 나타남을 확인할 수 있고,암페어 법칙이 성립함을 확인할 수 있다.4) 실험결과 그래프 1, 2는 자석으로부터 거리 변화에 따른 자기장의 변화를 나타내는 그래프이다. 그래프 1은 자석으로부터 그래프 2보다 가까운 거리에서측정한 자기장 세기의 그래프로, 자석 사이의 자기장이 가장 센 부분을 통과할때 0.038의 값을 기록했다. 그래프 2는 자석으로부터 그래프 1보다 상대적으로먼 거리에서 측정한 자기장 세기의 그래프로, 0.016의 값이 기록 되었다. 이 두그래프를 비교해보면, 자석으로부터 가까운 거리에 생성된 자기장이 더 강함을

공학/기술| 2022.04.22| 13페이지| 1,500원| 조회(123)

자기장, 자기력, 일반물리학

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물리학 실험 - 18 헬름홀츠 코일

실험 결과18. 헬름홀츠 코일Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)Ⅲ. 실험 결과Ⅳ. 고찰Ⅴ. 질문과 답Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론1. 실험목적· 헬름홀츠 코일에 의해 발생되는 자기장을 조사한다.· 헬름홀츠 코일 간의 자기장의 세기를 측정한다.· 코일 간의 떨어진 거리와 자기장의 세기를 이해한다.2. 배경 및 이론헬름홀츠 코일은 각각 같은 반지름 R을 가지는 한 쌍의 코일이다. 두 코일은보통 거리 L만큼 떨어져서 같은 축 상에 서로 평행하게 놓인다.두 코일의 중간 지점에서 축을 따라 놓인 자기장은 다음과 같이 주어진다.B`=` {8 mu _{0} N`I} over {sqrt {125} R} 여기에서mu _{0`}는 자유공간에서의 투자율로4 PI x10-7Tm/A이고 R은 코일의 반지름, 그리고 N은 하나의 코일에서 감긴 횟수이다.두 코일 사이의 자기장은 코일들 사이의 거리에 따라 변한다. 코일 사이의 거리에 따른 자기장의 변화는 아래의 그림에 나타나있다.Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)1. 실험 기구· 자기장 센서 (Magnetic Field Sensor : CI-6520)· 회전 운동 센서 (Rotary Motion Sensor : CI-6538)· 받침대와 지지막대 (Base and Support Rod : ME-9335)· Variable Gap Magnet (EM-8618)· 금속레일· 실2. 실험 방법1) Pasco 550 universal interface를 컴퓨터에 연결하고, Pasco 550 universalinterface와 컴퓨터를 켜라2) 바탕화면에서 Pasco Capstone을 실행하고, Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여 하드웨어 설정 창을 열어라. 하드웨어 설정창 안의 Pasco 550 universal interface 그림의 디지털 채널과 아날로그 채널 A를 클릭하여 각각 회전 운동 센서(Rotary Motion Sensor)와 자기장센서(Magnetic Field Sensor)를 선택하라.3) Signal Generator를 열어 Waveform을 DC로 DC Voltage를 5V로 선택하라.4) 그래프 팔레트에서 Graph를 클릭하여 열고 x축의 Select Measurement를 위치(Position)로, y축의 Select Measurement를 자기장 강도(Magnetic FieldStrength)로 각각 선택하라.5) Pasco 550 universal interface의 디지털 채널과 아날로그 채널 A의 회전 운동센서와 자기장센서를 연결하라.6) 다음 그림과 같이 자기장센서를 설정하라. 우선 자기장 센서의 측정 방향을Axial 방향으로 놓고 측정 범위를 100x로 놓는다. 측정 전에 자기장 센서를자석에서 가장멀리 위치한 후 Tare 스위치를 눌러서 자기장을 0으로 설정하라.7) 하나의 헬름홀츠 코일과 Pasco 550 universal interface를 연결하라. SignalGenerator의 붉은 색 단자에 연결된 바나나 플러그 패치코드를 첫 번째 코일의 양극과 검은색 단자에 연결된 바나나 플러그 패치코드를 코일의 음극에연결하라.8) 다음의 순서대로 나머지 장치들을 설치하라.① 지지막대에 회전 운동센서를 설치하라.② 금속 레일이 헬름홀츠 코일의 중심을 통과하도록 레일의 양쪽 끝에 지지대와 회전 운동센서를 이용하여 지지하라.③ 금속 레일 안에 자기장센서를 놓고 자기장센서를 실로 묶어 회전 운동 센서에 연결하라.9) 기록 버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작한 후 자기장 센서에 연결된 실을 천천히 잡아당겨 거리에 따른 자기장의 크기를 측정하고 그래프를 저장하라. 코일의 중심에서 멀어지는 방향으로 측정하라.10) 다음 그림과 같이 헬름홀츠 코일과 Pasco 550 universal interface를 연결하라. Signal Generator의 붉은색 단자에 연결된 바나나 플러그 패치코드를 첫번째 코일의 양극에 연결하라. 첫 번째 코일의 음극과 두 번째 코일의 양극을연결하라. Signal Generator의 검은색 단자에 연결된 바나나 플러그 패치 코드를 두 번째 코일의 음극에 연결하라.11) 두 코일의 거리를 0.5R (코일 반지름 절반 : L=0.5R)으로 놓고 고정하라.12) 기록 버튼(Record)을 누른 다음 자기장 센서에 연결된 실을 천천히 잡아당겨 거리에 따른 자기장의 크기를 측정하고 그래프를 저장하라.13) 두 코일 사이의 거리를 R(L=R)로 바꾸고 거리에 따른 자기장의 크기를 측정하고 그래프를 저장하라.14) 두 코일 사이의 거리를 2R(L=2R)로 바꾸고 거리에 따른 자기장의 크기를측정하고 그래프를 저장하라.15) 두 코일 사이의 거리가 2R로 놓고, 두 코일에서 전류가 반대로 흐르게 한다음 자기장의 크기를 측정하고 그래프를 저장하라.16) 레일 옆에 코일을 두고, 전류가 흐르게 한 다음 자기장의 크기를 측정하고그래프를 저장하라.Ⅲ. 실험 결과- 하나의 코일에서 거리에 따른 자기장 그래프- 두 코일 사이의 거리가 0.5R일 때 자기장 그래프 (L=0.5R)- 두 코일 사이의 거리가 R일 때 자기장 그래프 (L=R)- 두 코일 사이의 거리가 2R일 때 자기장 그래프 (L=2R)- 두 코일 사이의 거리가 2R이고, 전류의 방향이 서로 반대일 때 자기장 그래프- 레일 옆에 헬름홀츠 자기장을 세워 자기장의 세기를 측정한 그래프Ⅳ. 고찰1) 자기장센서가 하나의 헬름홀츠 코일을 지나갈 때, 코일의 중심부분을 지나갈때 자기장의 세기가 가장 크다.2) 자기장센서가 두 개의 헬름홀츠 코일의 중심부를 지나갈 때, 두 헬름홀츠 코일 사이의 거리를 0.5R, R, 2R로 설정하여 실험했다. 두 헬름홀츠 코일 사이의거리가 짧을수록 자기장의 세기가 컸다.3) 두 헬름홀츠 코일 사이의 거리가 R, 2R일 때, 자기장센서가 각각의 헬름홀츠코일의 중심부를 지나갈 때 세기가 가장 커지고, 코일의 중심부에서 멀어질때, 다시 자기장의 세기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.4) 두 헬름홀츠 코일 사이의 거리가 R, 2R인 경우, 두 헬름홀츠 코일 사이 거리의 중점부터, 각 헬름홀츠 코일의 중심부를 지나가는 위치까지의 거리는 동일한 것을 알 수 있다.5) 두 헬름홀츠 코일의 전류 흐름의 방향이 반대이면, 두 헬름홀츠 코일이 생성하는 자기장의 모양이 하나는 + 방향, 나머지 하나는 ? 방향인 즉, 서로 반대방향으로 형성된다. 단, 거리에 따른 자기장의 세기는 동일한 것을 확인할 수있다.Ⅴ. 질문과 답1. 전류가 흐르는 코일 주변에 만들어진 자기장의 세기는 코일의 전류에 어떻게의존할까?전류가 세질수록 자기장의 세기도 커진다.2. 하나의 헬름홀츠 형 코일에 전류가 흐를 때 코일 중심축 방향으로 거리가 멀

공학/기술| 2022.04.22| 12페이지| 1,500원| 조회(120)

헬름홀츠, 일반물리학, 헬름홀츠 코일

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물리학 실험 - 20 RL회로

실험 결과20. RL 회로Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)Ⅲ. 실험 결과Ⅳ. 고찰Ⅴ. 질문과 답Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론1. 실험목적· RL 회로에서 유도기(L)를 거친 전압과 저항기(R)를 거친 전압의 관계를 이해한다.· DC 회로에서 유도자를 거친 전류와 유도자의 작용 관계를 이해한다.2. 배경 및 이론RL 회로는 아래의 그림과 같이 저항기(Resistor)와 유도기(Inductor)가 직렬로연결된 회로이다.유도기는 전류 변화에 의하여 유도 기전력(enf)을 발생시키는 장치이며 유도기의 유도 기전력과 자체 유도 계수(Self-Inductance)는 아래의 식으로 표현된다.epsilon =`-L {TRIANGLE I} over {TRIANGLE t}L=` mu _{0} n ^{2} V유도기의 유도 기전력에 의하여 회로의 전류는 즉시 정상 상태로 증가하지 않고 아래의 식처럼 비선형적으로 증가한다.I=I _{0} (1-e ^{-(R/L)t} )=I _{0} (1-e ^{-t/ tau } )I _{0} : 최대전류,tau =L/R 유도 시간 상수유도 시간 상수는 전류가 그 최댓값의 63%까지 증가하는 데 걸린 시간(혹은최댓값의 37%까지 떨어지는 시간)이다. 전류의 최대치가 반가지 증가하거나 감소하는데 걸린 시간은 다음 같은 식에 의한 유도 시간 상수와 관련이 있다.Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)1. 실험 기구· 전압 센서(CI-6503) : 3개· 바나나 플러그 패치 코드 (SE-9750) : 2개· 유도코일과 철심 : 1개· 저항기, 4.7옴(4.7Ω), 10옴(10Ω)· 5인치 납선2. 실험 방법1) Pasco 550 universal interface를 컴퓨터에 연결하고, Pasco 550 universalinterface과 컴퓨터를 켜라.2) 바탕화면에서 Pasco Capstone을 실행하고, Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여 하드웨어 설정 창을 열라. 하드웨어설정 창 안의 Pasco 550 universal interface 그림의 아날로그 채널 B를 클릭하여 전압 센서(Voltage Sensor)를 선택하라.3) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Signal Generator를 클릭하여 SignalGenerator 설정 창을 열어라, 설정 창에서 파형(Waveform)을 Positive SquareWave로, 주파수(Frequency)를 5 Hz로, 진폭(Amplitude)을 3V로 선택하라.Voltage Offset을 0으로, Voltage Limit을 8V로 선택한 다음 Auto를 선택하라.4) 디스플레이 팔레트에서 Graph를 선택하여 열어라. Graph의 x, y축의 SelectMeasurement를 각각 시간(Time)과 전압(Voltage)으로 선택하라.5) 그래프 하단의 컨트롤 팔레트에서 전압 센서의 Sampling rate를 10KHz로 변경하라.6) 그래프 아래쪽의 컨트롤 팔레트의 Recording conditions를 클릭하여Properties 창을 띄운 다음 Stop Condition을 Time Based 그리고, 0.5s로 설정하라.7) 아래의 회로도와 같이 회로를 구성하고, 채널 B에 연결된 전압 센서를 저항기 양단에 연결하라.8) 기록 버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작하라.9) 측정 결과는 다음의 그림과 같이 나타날 것이다. 측정 결과에서 전압이 감소하는 부분을 선택적으로 확대하라.10) 다음 그림과 같이 확대된 그래프에서 전압이 최댓값부터 절반까지 떨어질때의 시간을 ‘Add coordination tool’의 기능을 이용하여 구하고 이 값을 아래의 표에 기록하라.11)10Ω 저항기를4.7Ω 저항기로 교체한 다음 8)애서 10)까지의 과정을 반복하라.12) 코일 중간에 철심을 넣은 다음 8)애서 10)까지의 과정을 반복하라.R(Ω)R _{L} `(Ω)R _{total} (Ω)t _{1/2} (s)L시간 상수(실험)시간 상수(이론)철심 없음4.75.70.0082105.70.0082철심 사용4.75.7105.713) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여하드웨어 설정 창을 열라. 하드웨어 설정창 안의 Pasco 550 universalinterface 그림의 아날로그 채널 A, 아날로그 채널 B, Signal Generator를 클릭하여 각각 전압센서(Voltage Sensor), 전압센서 (Voltage Sensor), 그리고Output Voltage Sensor로 선택하라.14) 디스플레이 팔레트에서 Graph를 선택한 다음 그래프 창 위의 디스플레이도구 막대에서 ‘Add new plot area to the Graph display’를 세 번 클릭하여 세 개의 그래프를 열어라.15) 그래프에서 x 축의 Select Measurement를 시간(Time)으로 선택하고 y 축들의 Select Measurement를 각각 Voltage Ch A, Voltage Ch B, 그리고 OutputVoltage로 선택하라.16) 아래의 그림과 같이 Pasco 550 universal interface의 아날로그 채널 A 그리고 아날로그 채널 B에 전압 센서들을 각각 연결한 다음 전압 센서들을 저항양단과 유도기 양단에 연결하라.17) 기록 버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작하고 그 결과를 기록하라.Ⅲ. 실험 결과R(Ω)R _{L} `(Ω)R _{total} (Ω)t _{1/2} (s)L시간 상수(실험)시간 상수(이론)철심 없음4.75.710.40.00080.00820.011540.0007885105.715.70.00050.00820.000720.0005223철심 사용4.75.710.40.0020.030010.00289-105.715.70.0010.022660.00144-- 그림 1. 실험 1 ? 시간 상수 구하기 (철심x, 저항10.4Ω, L = 0.0082)- 그림 2. 실험 1 - 시간 상수 구하기 (철심x, 저항15.7Ω, L = 0.0082)- 그림 3. 실험 1 ? 시간 상수 구하기 (철심o, 저항10.4Ω)- 그림 4. 실험 1 ? 시간 상수 구하기 (철심o, 저항15.7Ω)- 그림 5. 실험 2 ? 키르히호프의 법칙- 그림 6. 부하저항 양단 전압과 유도기 양단 전압의 위상차Ⅳ. 고찰1) 실험 결과표를 통해, 철심이 있는 경우, 없는 경우 각각 R(total)이 10.4, 15.7의 경우를 비교해보면, R의 값이 커질수록 시간 상수의 크기가 작아지는 것을알 수 있다.2) 실험 결과표를 통해 R(total)이 10.4인 경우, 15.4인 경우를 비교해보면, 각각의 두 경우를 비교한 실험들의 L값이 다름을 확인할 수 있다. 이때 L의 값이작을수록 이론에서 그리고 실험에서 구한, 시간 상수의 크기가 작아지는 것을확인할 수 있다.3) 키르히호프의 법칙은 전압이 걸려있는 폐회로에서 모든 전압의 합이 ‘0’이 되는 것을 “키르히호프의 법칙”이라고 한다. 좀 더 자세하게 설명하자면,회로의 인덕터에 걸린 전압의 크기, 저항에 걸린 전압의 크기의 합이 회로 전체 전압의 크기와 같다는 것이다.4) 3)에서 설명한 ‘키르히호프의 법칙’이 회로에서 적용되었다는 것을 확인하기 위해서는 실험 결과의 그림 5.에서 같은 시간에 측정한 인턱터(유도기)에서의 전압, 저항에서의 전압, 전체회로에 걸린 전압을 확인해보면 알 수 있다. 각전압을 확인해보면 인덕터(유도기)의 전압과 저항 전압의 합의 크기가 전체 회로에 걸린 전압의 크기와 같기 때문에 전체 회로의 전압의 값은 ‘0’이 됨을알 수 있다.Ⅴ. 질문과 답1. 유도 계수 값은 코일의 형태와 크기에 따라 달라진다. 크기와 형태가 정해진경우 유도 계수의 값을 커지게 하기 위해 변화시킬 수 있는 것은?코일 내부에 철심을 추가하여 실험을 진행하면, 유도 계수를 크게 할 수 있다.2. 외부저항(R _{1})과 유도코일의 저항(R _{c})인 경우, RL 회로의 시간 상수를 결정하는데 사용할 총 저항(R)은 어떻게 결정되는가?외부 저항과 유도 코일의 저항의 합으로 RL 회로의 시간 상수를 결정하는데사용할 총 저항이 결정된다.3. RL 회로에서 적용되는 키르히호프의 전압(순환회로) 규칙을 쓰라.RL 회로에서 적용되는 키르히호프의 전압 규칙은 유도기(인덕터)에서 측정되는 전압(V _{A}) 크기와 저항에서 측정되는 전압(V _{B}) 크기의 합의 크기가 전체 회로에서 측정되는 전압(

공학/기술| 2022.04.22| 14페이지| 1,500원| 조회(116)

일반물리학, RL 회로, 시간상수

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물리학 실험 - 21 교류 RC 회로와 교류 RL 회로

실험 결과21. 교류 RC 회로와 교류 RL 회로Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)Ⅲ. 실험 결과Ⅳ. 고찰Ⅴ. 질문과 답Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론1. 실험목적· 교류 RC 회로와 교류 RL 회로에 대하여 이해한다.· 저항(R), 축전기(C), 유도기(L) 사이의 위상 관계를 밝히고 이해해본다.2. 배경 및 이론교류 기전력원에의해 발생된 기전력은 시간에 따라 크기와 방향이 변하며 일반적으로 사인함수로 표현이 된다.v= v_0sin2 piftv : 순간 전압,v_0 : 최대 전압,f : 주파수,t : 시간교류 회로의 저항에서의 전압과 전류는 시간에 따라 동일하게 변한다. 그림에서 볼 수 있듯이I와V _{R} 모두sin2 pi ft로 변하고 같은 시간에 최댓값에 도달하기때문에 위상이 같다고 한다.교류 회로의 축전기에서 전압과 전류는 시간에 따라 동일하게 변하지 않는다.그림과 같이 축전기 양단에 교류 전압이 걸리면, 전류가 최댓값에 도달하고 난후 1/4주기 뒤에 교류 전압이 최댓값에 도달한다. 이때 축전기 양단의 전압은 전류보다 위상이 항상90 DEG 늦다고 말한다.교류회로에서 전류에 대한 축전기의 방해 효과는 용량 리액턴스 (capacitivereactance),X _{C} 라고 부르며 다음과 같이 정의된다.X _{C} =` {1} over {2 pi fC}교류회로의 유도기에서 전압과 전류는 시간에 따라 동일하게 변하지 않는다.그림과 같이 유도기 양단의 전압은 전류가 최대에 도달하기 1/4주기 전에 최댓값에 도달한다. 이런 경우를 유도기 양단 사이의 전압은 전류보다 위상이 항상90 DEG 앞선다고 말한다.교류 회로에서 유도기의 유효저항은 유도 리액턴스(inductive reactance)X _{L}이라고 하는 양으로 다음과 같이 표현된다.X _{L} =`2 pi fLⅡ. 실험내용(실험조건 및 순서)1. 실험 기구· 전압 센서(CI-6503) : 3개· 바나나 플러그 패치 코드(SE-9750) : 2개· 축전기, 100 마이크로패럿(100 mu F) : 1개· 유도코일과 철심 : 1개· 저항기, 100옴(100Ω) : 1개· 5인치 납선 : 2개2. 실험 방법1) Pasco 550 universal interface를 컴퓨터에 연결하고, Pasco 550 universalinterface와 컴퓨터를 켜라.2) 바탕화면에서 Pasco Capstone을 실행하라.3) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여하드웨어 설정 창을 열어라. 하드웨어 설정창 안의 Pasco 550 universalinterface 그림의 아날로그 채널 A, 아날로그 채널 B, 그리고 Signal Generator을 클릭하여 각각 전압 센서(Voltage Sensor), 전압 센서(Voltage Sensor), 그리고 Output Voltage Sensor를 선택하라.4) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Signal Generator를 클릭하여 SignalGenerator 설정 창을 열어라. 설정 창에서 파형(Waveform)을 Sine으로, 주파수(Frequency)를 60Hz로, 진폭(Amplitude)를 3V로 선택하라. Voltage Offset을 0으로, Voltage Limit을 8V로 선택한 다음 Auto를 선택하라.5) 디스플레이 팔레트에서 Graph를 선택하여 열어라. 그래프 상단의 디스플레이 도구 막대에서 ‘Add new plot area to the Graph display’를 두 번 클릭하라.6) 다음 그림과 같이 x, y 축들의 Select Measurement를 각각 시간(Time),Voltage Ch A, Voltage Ch B, 그리고 Output Voltage로 설정하라.7) 아래쪽의 컨트롤 팔레트에서 전압 센서의 Sampling Rate를 10 KHz로 조정하라.8) 아래쪽 컨트롤 팔레트의 Recording conditions를 클릭하여 Properties 창을띄운 다음 Stop Condition을 Time Based 그리고 0.5s로 설정하라.9) AC/DC 전기 실험 회로 판에100Ω 저항기와100 mu F 축전기를 다음의 그림과 같이 설치하라10) 기록버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작하라. 다음 그림과 같이 측정 결과그래프에서 적절한 부분을 선택하여 확대하라.11) Graph 상단의 디스플레이 도구 막대에서 ‘Add a coordinate tool’을 클릭한 다음‘Add Multi-Coordinate tool’을 열어라. 동일한 과정을 반복하여 두개의 Multi-Coordinate tool이 그래프에 생성되도록 해라.12) 두 개의 Multi-Coordinate tool을 각각 축전기와 저항의 최댓값에 위치시킨다음 축전기의 최대 전압(V_C)와 저항이 최대 전압(V _{R})을 읽어 아래의 표에 기록하라. 그리고 그들 사이의 시간 차이를 구하고 이를 아래의 표에 기록하라.RC 회로30Hz60Hz저항기 전압전류축전기 전압저항용량 리액턴스전류와 시간차전류와의 위상차13) 주파수(Frequency)를 30Hz로 변경하여, 10)에서 12까지 한 번 더 반복한 후,표에 기록하라.13) Pasco Capstone의 설정은 실험 1과 동일하므로 재설정이 필요하지 않다.14) AC/DC 전기 실험 회로 판에100 Ω 저항기와 0.0082H 축전기를 다음의 그림과 같이 설치하라.15) 10)부터 12까지의 과정을 반복한 다음, 표에 그 결과를 기록하라.RL 회로30Hz60Hz저항기 전압전류인덕터 전압저항유도 리액턴스전류와 시간차전류와의 위상차Ⅲ. 실험 결과RC 회로30Hz60Hz저항기 전압2.822.924전류0.02820.02924축전기 전압0.5250.258저항18.6178.8235용량 리액턴스16.0848.0422전류와 시간차0.0080.004전류와의 위상차86.486.4- 실험 1. 교류 RC 회로 결과표RL 회로30Hz60Hz저항기 전압2.8082.806전류0.028080.02806인덕터 전압0.1670.181저항5.9476.450유도 리액턴스1.5453.090전류와 시간차0.0020.001전류와의 위상차21.621.6- 실험 2. 교류 RL 회로 결과표- 실험 1. 교류 RC 회로 (30Hz) 실험 결과 그래프- 실험 1. 교류 RC 회로 (60Hz) 실험 결과 그래프- 실험 2. 교류 RL 회로 (30Hz) 실험 결과 그래프- 실험 2. 교류 RL 회로 (60Hz) 실험 결과 그래프Ⅳ. 고찰1) 실험 1.과 실험 2.에서 모두 주기를 30Hz, 60Hz로 설정하여 진행을 했다. 실험 1.에서는 주파수가 2배 길어짐에 따라, 교류 전류와 전압의 시간차가 약 2배 정도 길어지고, 축전기의 전압, 그리고 저항의 값이 약 1/2 정도 작아지므로, 결국 30Hz와 60Hz에서의 전류와의 위상차는 같음을 알 수 있다.2) 실험 2.에서는 주파수가 길어짐에 따라, 인덕터의 전압, 저항, 유도 리액턴스의 측정값은 약 2배 정도 커지고, 교류 전류와 전압의 시간차는 약 1/2 정도줄어듦을 확인할 수 있다. 그러므로 주파수가 30Hz와 60Hz인 경우에서 모두,교류 전류와 전압의 위상차는 21.6도로 같음을 구할 수있다.3) 실험 1.의 결과를 통해 용량 리액턴스가 증가할수록 교류 전류와 전압의 시간차는 커짐을 확인할 수 있다. 실험 2.의 결과를 통해서는 유도 리액턴스가증가할수록, 교류 전류와 전압의 시간차가 감소한다는 것을 알 수 있다.Ⅴ. 질문과 답1. 이 실험에서 각 소자의 전류와 전압의 위상차를 구하기 위하여 저하 양단의전압과 각 소자의 전압의 시간차를 구하였다. 그 이유를 설명하라.각 소자의 전류와 전압의 위상차를 구하기 위해서는 한 주기의 위상 변화의범위, 한 주기에 소모되는 시간, 소자의 전압의 시간차를 알고 있어야 위상차를

공학/기술| 2022.04.22| 12페이지| 1,500원| 조회(102)

일반물리학, 교류 회로, 교류 RC

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물리학 실험 - 19 자기장 변화에 의한 전자기 유도

실험 결과19. 자기장 변화에 의한 전자기 유도Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)Ⅲ. 실험 결과Ⅳ. 고찰Ⅴ. 질문과 답Ⅰ. 실험 목적 및 배경이론1. 실험목적· 패러데이의 전자기 유도현상을 이해한다.· 렌츠의 법칙을 이해한다.2. 배경 및 이론그림과 같이 기전력 원과 연결되지 않은 코일의 내부에 자석이 통과하게 되면코일에 유도 기전력이 형성되고 전류가 흐르게 된다.회로에 고리가 N번 감겨있고 각 고리를 통과하는 자기선속이 시간TRIANGLE t 동안에TRIANGLE PHI 만큼 변하면, 이 시간 동안에 회로에 유도된 평균 기전력은 다음과 같다.epsilon =`-N {d PHI } over {dt} `=`-N {d(BA)} over {dt} `=`-NA {dB} over {dt}금속 고리에 유도되는 전류는 자기 선속의 변화를 방해하는 방향으로 자기장이 유도되도록 흐른다.Ⅱ. 실험내용(실험조건 및 순서)1. 실험 기구· 전압 센서 (CI-6503) : 1개· Variable Gap Magnet (EM-8618)· Induction wand (EM-8099)· 플라스틱 튜브· 회전 운동 센서 (Rotary Motion Sensor : CI-6538)· 받침대와 지지막대 (Base and Support Rod : ME-9355)2. 실험 방법1) Pasco 550 universal interface를 컴퓨터에 연결하고, Pasco 550 universalinterface와 컴퓨터를 켜라.< 실험 1. 코일을 통과하는 자석 >2) 바탕화면에서 Pasco Capstone을 실행하라.3) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여하드웨어 설정 창을 열어라. 하드웨어 설정 창 안의 Pasco 550 universalinterface 그림에서 아날로그 채널 A를 클릭하여 전압 센서(Voltage Sensor)를선택하라. 이 실험에서는 입력 전압이 필요하지 않으므로 Signal Generator는설정하지 않는다.4) 그래프 팔레트에서 Graph를 클릭하여 열어라. Graph에서 x, y축의 SelectMeasurement를 각각 시간(Time)과 전압(Voltage)으로 선택하라.5) Pasco 550 universal interface의 아날로그 채널 A에 전압센서를 연결하라.6) 다음 그림과 같이 Induction Wand에 Pasco 550 universal interface의 채널A와 연결된 전압 센서의 양 단자를 연결한다. 단자를 연결할 때 극성에 주의하라.7) 코일 사이에 플라스틱 관을 삽입하라.8) 기록 버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작한 후 관 속으로 자석을 떨어뜨려라.9) 시간에 따른 기전력 변화 그래프를 얻은 후, 영역선택 아이콘을 선택하여첫 번째 피크를 선택한 다음 면적(Area) 아이콘을 선택하여 첫 번째 피크의면적을 구하라.10) 두 번째 피크에 대해서도 9)와 동일한 작업을 하라.< 실험 2. 흔들리는 코일 >11) Capstone의 왼쪽 상단의 장치 도구에서 Hardware Setup icon을 클릭하여하드웨어 설정 창을 열라. 하드웨어 설정 창 안의 Pasco 550 universalinterface 그림의 디지털 채널과 아날로그 채널 A를 클릭하여 각각 회전운동센서(Rotary Motion Sensor)와 전압 센서(Voltage Sensor)를 선택하라. 이 실험에서는 입력전압이 필요하지 않으므로 Signal Generator는 설정하지 않는다.12) 그래프 더하기 아이콘(붉은 네모 박스)를 두 번 클릭하여 세 개의 그래프가동시에 나타나도록 하라. 그리고 각각의 그래프에서 Y 축들의 SelectMeasurement를 각각 전압(Voltage), 각 위치 (Angle), 그리고 각 속도(AngularVelocity)로 선택하라.13) Induction Wandfmf 작은 나사못을 이용하여 회전 운동센서를 연결하라. 그리고 회전 운동센서를 지지막대에 연결하고 Induction Wand 끝의 코일이Variable Gap Magnet 사이에 위치하게 하라.14) 기록 버튼(Record)을 클릭하여 측정을 시작한 후 Induction Wand를 흔들어Variable Gap Magnet 사이에서 흔들리도록 한 다음, 그래프에 유도 기전력,Angular Position, 그리고 Angular Velocity가 측정되도록 하라. 그리고 결과그래프를 저장하고 설명하라.Ⅲ. 실험 결과- 실험 1. 코일을 통과하는 자석 (자석이 코일 중심부에 가까워질 때까지의 면적)- 실험 1. 코일을 통과하는 자석 (자석이 코일의 중심부로부터 멀어질 때의 면적)- 실험 1. 코일을 통과하는 자석 (떨어뜨리는 자석의 극의 방향을 반대로 한 실험)- 실험 2. 흔들리는 코일Ⅳ. 고찰1) 실험 1.에서 자석이 플라스틱 관을 통해 코일의 중심을 지나갈 때, 자석이코일 중심부에 가까워질 때와 자석이 코일의 중심부로부터 멀어질 때 그려지는 그래프의 모양은 y축 대칭이다.2) 실험 1.에서 코일의 중심부에 가까워질 때 그려지는 그래프의 단면적과, 자석이 코일의 중심부로부터 멀어지는 그래프의 단면적은 실험 결과의 첫 번째,두 번째 그래프를 보면 알 수 있듯이 같다.3) 실험 1.에서 자석의 극을 반대로 해서 떨어뜨린 경우에는 이전 실험과 그래프가 반대로 그려지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 자석의 극을 바꾸기 전의실험 결과와 비교하였을 때, 파크의 면적과 최곳값은 같음을 확인할 수 있다.4) 자석을 고정시키고 코일을 흔들어 주는 실험 2.에서 시간에 따른 전압, 각위치, 각 속도를 비교해보았을 때, 총 네 번을 기록을 비교해보았다. 실험에서오차가 발생한 이유는 시간이 흐를수록 중력의 힘을 받아 코일이 움직이는 속도와, 코일이 올라갈 수 있는 최고점이 낮아지기 때문이다.5) 세 번째 그림을 보면, 전압, 각 위치의 값은 거의 0에 근사하고, 각 속도는그래프의 최댓값과 최솟값을 나타냄을 확인할 수 있다. 전압, 각위치가 같을때, 첫 번째, 세 번째 포인트에서의 각 속도의 그래프 모양과, 두 번째, 네 번째 각 속도의 그래프 모양이 같음을 알 수 있다. 따라서 코일이 자석을 지나가는 방향에 따라 각속도가 달라짐을 확인할 수 있다.Ⅴ. 질문과 답1. 곡선의 면적이 나타내는 물리적인 의미는 무엇인가?곡선의 면적이 나타내는 물리적인 의미는 총자기선속이다.2. 들어오는 선속은 나가는 선속과 같은가?들어오는 선속과 나가는 선속은 이론 상, 같아야 한다.3. 나가는 피크가 들어오는 피크보다 높은 이유는 무엇인가?

공학/기술| 2022.04.22| 10페이지| 1,500원| 조회(153)

일반물리학, 전자기 유도, 자기장 변화

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