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물리학실험2 축전기와 전기용량 결과보고서

물리학 실험2축전기와 전기용량 결과 보고서이름과학번담당조교실험 날짜제출 날짜결과보고서제목: 축전기와 전기용량기계공학부학년학번 :이름 :날짜 : 조 :조공동실험자 :[1] 측정값실험1 전하량의 변화에 따른 전압 변화(d0 = 2mm)증명판의 접촉 횟수12345678V246810121314눈금 보정량 : Δd = -0.3mmd = 2d0 : V = 23V실험2 전극 표면의 전하밀도(Vρ)의 분포양극판증명판의접촉 위치(r)00.25R0.5R0.75R0.9R1.0R안쪽 (수평방향)3V5V5V5V5V6V안쪽(연직 방향)4.4V4.5V4.0V4.1V5.8V6.0V바깥쪽(연직 방향)1V2V2V3V3V음극판증명판의접촉 위치(r)00.25R0.5R0.75R0.9R1.0R안쪽 (수평방향)-7V-6V-6V-7V-6V-6V안쪽(연직 방향)-7V-6V-6V-6V-6V-6V바깥쪽(연직 방향)-1V-1V-1V-2V-2V실험3 전압의 변화에 따른 전하밀도의 변화전압(V) – 전원100020003000전위(Vσ)-전위계5V11V16V실험4 간격의 변화에 따른 전압의 변화d’(mm)V(volt)x(pF)C1 = (278pF/d)y(1/V)y = 1/Vy’(계산값)y’ = ax + b46.3V69.50.1590.1600556.4V55.60.1560.1475466.9V46.30.1450.1391787.5V34.80.1330.128821010V27.80.1000.122521516V18.50.0630.11415206V13.90.1670.11001기울기 a = 0.0009(1/pC)절편 b = 0.0975 (pF/pC)전하량 Q = 1/a= 1111.11C누설용량 Cs = b x Q = 108pF[2] 결과* 그래프 첨부실험1.실험3실험4.( 20mm 제외 추세선)[3] 토의1. 질문에 대한 검토질문1. 왜 전하를 추가함에 따라 전위가 변하는가?전위는 전하에 비례하고, 전기용량에 반비례한다. 극판 사이의 간격이 일정해 전기 용량이 일정한 상태에서 증명판으로 전하를 옮겨 전하량을 증가시켜주면 비례 관계인 전위 또한 증가하게 된다.질문2. 극판 간격을 두 배로 하면 어떤 효과를 기대하는가? 기대한 효과가 관찰됐는가?평행판축전기에서 전기용량은 면적에 비례하고, 거리에 반비례한다. 따라서 전기용량은 절반으로 줄어들 것이다. 또한 전기장이 일정할 떄, 전위는 (V = Ed)로 간격에 비례하므로, 전위는 2배가 될 것이다.질문3. 극판 내부에서 전하밀도는 위치에 따라 어떻게 변하는가? 극판 사이의 전기장에 대해 어떤 해석을 할 수 있는가? 극판 바깥의 전하밀도에 대해서는 어떻게 해석하여야 하는가?극판 위치에 따라 측정된 전하의 밀도는 크게 변하지 않았고, 비례되는 관계는 발견하지 못하였다. 이론상으로는 극판 내부의 전하의 밀도가 거의 일정하면서도 극판 가장자리로 갈수록 의 면적값의 증가에 따라 전하량과 전위가 증가했어야했는데, 가장 가운데 고무 부분에 의한 측정 오차 이외에 가장자리로 갈수록 전위가 증가하는 것을 확인하여 어느정도 의미있는 실험값이라고 생각한다. 또한 극판의 외부에서 측정하였을 때, 내부보다 전위가 작은 것을 확인할 수 있었는데, 이는 각 극판에 의한 영향으로 전기장의 상쇄가 일어난 것으로 보인다.질문4. 축전기의 전하량 Q가 축전기판의 전위차 V에 비례한다고 할 수 있는가? 그래프를 그려 해석하라실험3의 그래프를 보면 걸어준 전압에 대해 전위계에 측정되는 전위가 오차가 있기는 하지만 비례하는 것을 확인할 수 있다. 전하량이 전위차이와 (Q = CV)의 식을 이루어 비례하는 것을 확인할 수 있다.질문5. 실험 4의 데이터 분석으로부터 평행판축전기의 전기용량의 식 C = ε 0 *A/d는 측정한 d의 범위에서 얼마나 잘 적용되는가?실험4에서 극판 간격 15cm까지는 전압이 상승하는 것을 확인했다. 극판 간격 20cm에서 극격하게 전압이 감소하였는데, 극판 간격이 멀어짐에 따른 전기장의 영향 감소로 보인다. 20mm일떄를 포함하고 추세선을 그렸을 때는 예측값과 실험값의 그래프가 일치하지 않았으나, 20mm일 때 를 제외하고 추세선을 그린 결과 예측 그래프와 실험그래프가 어느 정도 겹치며 전기용량 식이 어느 정도 잘 적용되었음을 알 수 있었다. ㅌ`2. 실험과정 및 결과에 대한 검토이번 실험은 가변 축전기를 이용하여 전위와 전압의 관계성, 전하,전압과 전기용량의 상관관계를 알아보는 실험이었다.실험1에서 전하량에 따른 전압이 접촉 횟수에 따라 거의 정비례하게 2V씩 증가하며 전하와 전압의 일정한 비례 관계를 확인할 수 있었다.실험2에서는 전극의 표면전하밀도를 알아보는 실험이다. 이론상으로는 평행판 극판에서 전하밀도는 위치와 무관하게 균일해야한다. 실험 결과, 중심이 나머지부분에 비해 약 1v에서 2v정도 낮았는데, 이는 실험에서 고무 패킹된 부분에 증명판을 대서 나타난 결과라고 생각된다. 또한 가장자리 부분은 + 와 – 극판 모두에서 다른 부분보다 전하가 높게 나타났는데, 에서 면적 값이 늘어 생긴 결과로 생각된다. 실험 오차를 줄이기 위해서는 면적에 해당하는 극판의 크기를 줄이면 오차가 감소할 것으로 생각된다.실험3에서는 극판의 간격은 일정하게 유지한 뒤, 전압을 높여 전하량의 변화를 확인하는 실험이었다. 전하량은 전기용량 x 전압으로 나타나는데 해당 식과 같이 전압이 증가함에 따라 그래프를 그린 결과 오차가 10% 내외로 생기긴했지만 비례 관계를 확인할 수 있었다.실험4에서는 식 C = ε 0 *A/d를 확인하는 실험으로 20mm 안쪽 값에 대해서는 y값이 서서히 감소하며 식과 실험이 성립함을 확인할 수 있었다. 하지만 20mm 바깥의 값에 대해서는 전압이 극격하게 하강하여 y값이 증가하는 현상이 일어났는데, 이는 실제 환경과 이론상 환경이 다르며 전기장의 영향 또는 주변 정전기 등의 영향을 받아서로 생각된다. 또한 x와 y값에 대해서 회귀분석한 결과 P-값이 0.05 아래로 계산되었고, 20mm일 때의 특별히 튀어나가는 값을 제외한 결과로 추세선을 그린 결과 회귀분석과 실제 실험값이 일치하며 실험값이 신뢰도가 있음을 확인할 수 있었다.[4] 참고 문헌아주대학교 물리학실험실. (2018). 물리학실험(제12판).아주대학교출판사 .pg 115-120 레너드 서스킨드. (2020). 물리의정석(고전역학편).사이언스북스.pg220-224

자연과학| 2022.10.16| 7페이지| 1,000원| 조회(205)

물리학실험, 축전기, 결과보고서, 물리학, 아주대학교, 아주대, 물리학2, 전기용량, 물리학실험2

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물리학실험2 등전위선 결과보고서

물리학 실험2등전위선 결과 보고서이름과학번담당조교실험 날짜제출 날짜결과보고서제목: 등전위선학년학번 :이름 :날짜 :조 : 공동실험자 :[1] 측정값원 내부 점에서 측정한 전위12345전위(V)9.939.969.969.959.93[2] 토의1. 질문에 검토질문1. 원 내부의 각 점에서 측정한 전위는 같은가?원 내부 5개의 점에서 전위를 측정한 결과, 9.93V, 9.93V, 9.96V, 9.96V, 9.95V로 평균값 9.946, 표준편차 0.015로 측정한 전위가 계기오차와 우연오차를 고려했을 때 거의 같다고 할 수 있다.질문2. 도체상의 모든 점은 전위가 과연 같은가?도체의 표면이 정전기적 평형을 이룰 때, 해당 면은 등전위면이 된다. 또한 도체 표면에만 전자가 존재하므로 가우스 법칙과 관련하여 도체 내부의 전기장은 0이 된다. 따라서 도체 표면의 전위는 표면에서의 전위와 같으며 모든 점에서 이론상으로 그 전위가 같게 된다. 따라서 측정기구의 오차를 제외하면 모든 점에서 전위는 모두 같다고 할 수 있다.질문3. 속이 빈 도체의 내부 공간에서도 등전위인가?도체 전하가 표면에만 존재한다는 특성이 있다. 속이 빈 도체의 경우 내부 공간은 해당 표면 전하와 상관없이 내부 전위가 0이다. 실험상으로도 긴 도체 내부의 전하가 0인 것을 확인할 수 있었으며, 표면이나 외부로부터 들어오는 전자가 존재해도 내부 전기장이 0인 것을 확인할 수 있었다.질문4. 전기장의 방향은 V/cm로 측정한 최대값 방향에 대해 어떤 방향인가?실험 결과 등전위선과 거의 수직한 방향에서 V/cm로 측정했을 때 최대값이 나왔다. 이론상으로 에서 는 이므로 가 최대값을 가지려면 가 0이어야 한다. 가 0이려면 값은 90이어야 하므로, 등전위선의 기울기와 수직을 이루는 방향에서 최댓값을 가진다. 실제 실험값과 이론이 어느 정도 일치함을 확인할 수 있었다.질문5. 등전위선의 간격과 는 어떤 상관관계를 갖는가?등전위선의 간격이 좁을수록 해당 지역에서의 전위의 변화는 크다는 것을 실험 결과로 확인했다.공식에 따르면 전기장의 세기 로 결정되고 전기장의 세기는 거리의 제곱에 반비례한다. 따라서 등전위선 간격이 좁을수록 해당 지역의 전기장의 크다는 것을 알 수 있다.질문6. V/cm 단위와 N/C 단위는 어떤 관계인가?SI 단위에서 전기장의 세기의 단위는 N/C(뉴턴/쿨롱)으로 한 점에서 +1의 전하가 받는 힘의 크기와 방향이다. 전위의 정의는 한 점에서 +1의 전하가 있을 때, 해당 위치에서 전기장의 방향이 반대가 되는 전하에 의해 더해지는 에너지이다. 이때 1J이 1N으로 1m를 움직이는 단위이므로 1J은 1Nm이므로 1V = 1J/C = Nm/C이므로 V/m = N/C이다. 따라서 1m = 100cm 이므로 V/cm단위는 N/C의 100분의 1이라는 것을 알 수 있다.2. 실험과정 및 결과에 대한 검토실험1에서는 전극이 연결된 탄소판 위에서 전위가 같은 점들을 찾아 등전위선을 그리는 실험이었다. 전극에 가까울수록 전위가 낮았으며 특히 1V와 9V의 경우 전극을 타원 형태로 둘러싸고 있는 형태로 등전위선이 형성된 것을 확인할 수 있었다. 1V에서 5V까지 전위가 상승하면서 곡률이 감소하고 직선에 가까워졌다가 5V에서 9V로 갈수록 다시 곡률이 커졌다. 또한 전극사이의 중심에서 측정할수록 등전위선 사이의 간격이 좁아지는 것 또한 확인할 수 있었다. 이는 식의 전기장 공식에서 거리가 멀수록 전기장의 크기가 작아진다는 것으로부터 전극에 가까울수록 등전위선의 간격이 조밀해진다는 것을 추정할 수 있었다. 하지만 실험에서는 등전위선을 1V 간격으로 추적했기 때문에 정밀함이 떨어졌고, 전기력선 간격의 극적인 변화를 확인하지 못하는 아쉬움이 있었다. 간격을 0.5V나 그 이하로 설정해 측정하면 정밀은 했겠으나 실험 시간이 오래 걸려 하지 못하였다.실험2에서는 각 등전위선 위 점에서 전기장의 벡터를 기록하는 실험이었다. 측정 결과 각 등전위선에서 수직한 방향으로 전기장의 벡터가 향하고 있음을 확인했다. 또한 해당 전기장의 크기가 각 극 사이의 중심에 위치할수록 크다는 것을 확인했다. 전기장의 벡터가 로 측정되는 것을 고려할 때, 중심에 가까울수록 거리가 감소, 전기장이 커진다는 것을 적용할 수 있었다. 등전위선 위 변위에 대해 전위값의 크기가 0 이므로, 전기장과 변위가 내적에 의해 수직하기 때문에 전기장과 등전위선의 방향이 수직하며, 또한 방향에 대해서 에 해당하는 전기장의 성분을 확인할 수 있었다.[3] 참고자료아주대학교 물리학실험실. (2018). 물리학실험(제12판).아주대학교출판사.pg125-128레너드서스킨드. (2020). 물리의정석(고전역학편).사이언스북스.pg228-231

자연과학| 2022.10.16| 4페이지| 1,000원| 조회(167)

물리학실험, 등전위선, 결과보고서, 물리학, 아주대학교, 아주대, 패러데이, 물리학2, 얼음통실험

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물리학실험2 Faraday의 얼음통 실험 결과보고서

물리학 실험2Faraday의 얼음통 실험 결과 보고서이름과학번담당조교실험 날짜제출 날짜결과보고서제목: Faraday의 얼음통 실험학년학번 :이름 :날짜 :조 :공동실험자 :[1] 측정값 및 결과실험1전하량 측정(전위계의 전압)/ 측정 단위 (V)횟수얼음통에 접촉안함얼음통에 접촉함얼음통 접지(Push to Zero)후 막대를 얼음통에 넣었을 때넣었을 때꺼냈을 때넣었을 때꺼냈을 때백색17327467820.90.00.91.10.132.20.02.22.20.2청색1-241.0-23-22-12-3.00.0-3.2-1.7-0.23-5.00.6-4.9-4.9-0.3실험2증명판 + 푸른색푸른색 -5.0v증명판+3.8v증명판 + 흰색흰색 -4.5v증명판+5.5v정전기 서열증명판>흰색판 > 푸른색흰색 + 푸른색 (얼음통 안)마찰 후1개 흰색 제거모두 제거0분 1분 2분4v -5v -8v-62v-18v실험3표면전하밀도 측정 (단위 v)두 구 사이의거리구 B에서 전하추출왼쪽앞뒤위아래오른쪽10cm(접지 후)-0.50.1-0.10.1-0.20.12cm-1.3-0.1-0.20.1-0.80.12cm(접지 후)-0.90.00.00.0-0.20.1구 A (1000V)에서 전하 추출2cm(접지 후)0.40.60.50.60.21.0[2] 토의1. 질문에 대한 검토질문1. 마찰판의 전하량과 얼음통의 내부 금속통에 유도된 전하량에 대해 어떤 결론을 내릴 수 있는가?마찰판끼리 마찰시키면 이론상으로 백색 마찰판은 -, 푸른색 마찰판은 +극을 띄게 된다. 이때 백색 마찰판을 넣으면 금속통이 +로, 푸른색 마찰판을 넣으면 금속통이 -으로 대전되는데, 이는 마찰판의 극성으로 인해 내부 금속통의 전자가 마찰판과 먼 쪽으로 이동, 또는 가까운 쪽으로 이동하기 때문이다. 원리대로라면 마찰판을 금속통에 접촉시키지 않았을 때는 마찰판을 뺐을 때 금속통의 전위가 0이 되어야하지만, 전위계의 오차 또는 금속통에 남아있는 자유전자로 인해 기존 마찰판의 전위에 대해 오차범위 10% 이내에서 전위계의 숫자를 확인할 수 있었다. 또한 마찰판과 금속통을 접촉시켰을 때는 마찰판의 표면 자유전자가 금속통으로 이동하며 기존의 마찰판이 가지고 있던 전위의 크기에 크게 벗어나지 않은 범위에서 금속통의 전위를 측정할 수 있었다.질문2. 왜 구 B에는 접지시킨 후에도 전하가 남아있는가? 구 A의 왼편에 전하가 있는가 없는가? 이 현상을 어떻게 설명하겠는가?먼저 기존 10000v라는 고전압에 연결된 구 A와 구 B를 가까이 했을 때, 구 A와 가까운 구 B쪽은 정전기 유도로 인해 자유전자가 구A쪽으로 몰리게 된다. 이 상태에서 구 B를 접지하면 지면의 자유전자가 구 B로 이동하여 우측은 중성화되고, 구 A쪽의 자유전자는 구 A와의 인력에 의해 남아있게 된다. 이렇게 되면 접지선을 제거하고 나서도 구 B가 음전하를 띄게 된다. 또한 구 A의 왼편은 + 전하로 대전되어 있는데 이는 구 A가 구 B에 의해 많은 양의 전하가 존재하기 때문이다.2. 실험과정 및 결과에 대한 검토이번 실험은 Faraday의 얼음통과 전위계의 전압 측정을 이용하여 정전기 서열, 정전기 유도 현상을 확인하는 실험이었다.실험1은 마찰판의 마찰을 통해 마찰판의 정전기 서열에 따른 극성을 부여한 후, 얼음통에 넣어 정전기 유도 현상을 이용하여 마찰판의 극성을 확인하는 실험이었다. 얼음통에 마찰판을 접촉하지 않고 꺼내었을 때 전기적 인력이 사라지며 얼음통의 극성이 사라지는 것과, 얼음통과 접촉하였을 때 극성과 그 크기가 유지되는 것은 오차범위 내에서 성공적이었다. 백색 2번째 실험에서 접촉한 후 얼음통의 전위가 상승하는 현상이 한 번 발생하였는데 이는 마찰판을 뺄 때, 얼음통과 마찰판 사이의 마찰 때문으로 생각된다. 또한 청색 2번째 실험에서 접촉 후 얼음통의 전위가 절반이 되는 현상이 있었는데 이는실험2의 정전기 서열을 알아보는 실험에서 정전기 서열을 알아보는 실험은 서로 극성만 확인하면 되기 때문에 서열 확인은 성공적이었다. 하지만 얼음통 내부에서 마찰판의 마찰 후 극성을 확인하는 실험에서 실험값이 너무 크게 나오고, 마찰판을 제거해도 얼음통의 전위가 높은 상태로 유지되는 현상으로 인해 실험이 제대로 진행되지 않았다. 실험 도구를 바꿔가면 실험을 했음에도 불구하고 그러한 현상이 나타나는 것에 대해 마찰판의 절연이 제대로 일어나지 않았거나, 고압전류계의 그라운드 부분의 오류가 있었을 것이라고 생각된다.실험3에서 구 A에 고전압을 연결한 후 대전되지 않은 구 B를 가까이 하여 두 구 사이 정전기 유도를 이용해 극성을 부여하고 증명판을 이용해 해당 부분의 전하를 추출하는 실험이었다. 구 B에 대해 측정할 때는 정전기가 유도된 왼쪽 부분에서만 대부분의 전하가 관측되었고, 특히 오른쪽 부분에서 다른 부분과는 다르게 +전하가 유도되는 것을 확인할 수 있었다. 구 A에 대해서는 원래 오른쪽 부분이 +로, 나머지는 오른쪽 부분에 비해 값이 작게 측정되어야 했지만 증명판이 중성 상태로 돌아가지 않아 측정 과정에 어려움이 있었다.[3] 참고자료아주대학교 물리학실험실. (2018). 물리학실험(제12판).아주대학교출판사 .pg 107-111 레너드서스킨드. (2020). 물리의정석(고전역학편).사이언스북스.pg213-214

자연과학| 2022.09.29| 5페이지| 1,000원| 조회(156)

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