[자연과학] 물리학 실험 - 쿨롱(Coulomb)의 법칙

물리학 실험 - 쿨롱(Coulomb)의 법칙

1. 실험목적

평행판 극판을 사용하여 직접적으로 쿨롱의 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 이해한다.

2. 실험원리

전하의 크기가 각각 , 이고 거리가 만큼 떨어진 두 입자가 있을 때 이 두 입자 사이에 작용하는 정전기힘을 쿨롱의 힘이라 한다. 그 두 입자 사이에 작용하는 정전기힘은 거리 의 제곱에 반비례하고, 거리 이 일정한 경우 두 입자의 전하량 , 의 곱에 비례한다.
,
이 두 식을 통해 쿨롱의 법칙을 유도할 수 있다.
(쿨롱의 법칙)
즉, 두 입자 또는 점전하 사이의 정전기힘은 두 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례하고 두 입자의 전하량의 곱에 비례한다. 여기서 는 정전기 상수로써 〓8.99×10Nm/C이다. 를 로 바꿔주면 쿨롱의 법칙은 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 는 유전상수이고 그 값은 〓8.85×10C/Nm이다.
그림 1 두 점전하의 부호에 따른 쿨롱의 힘
그림 2 쿨롱의 법칙 실험장치
[그림 2]와 같은 쿨롱법칙 실험장치에서 축전지가 대전되면 두 개의 극판에는 크기가 같고 부호가 반대인 전하 가 생성된다. 축전기에 …(생략)

(1)

(2)

가 된다. 는 극판의 면적이고 는 극판 사이의 거리이다. 축전기를 대전시킬 때 외부에서 해준 일은 다음과 같다.

4. 실험방법

(1) 쿨롱의 법칙 실허망치의 이동지지대에 상부 전극판을 연결한다.

(2) 이동지지대의 마이크로미터를 돌려 눈금이 약 20mm가 되도록 한다.

(3) 하부 전극판을 전자 저울 위에 올려놓는다.

(4) 전자 저울의 수평조절나사를 조절하여 상부 전극판과 하부 전극판이 거의 맞닿도록한 다음, 전자저울의 전원을 켜고 “ZERO” 버튼을 눌러 영점 조정을 한다. 이때, 양전극판은 수평을 이루어야 한다.

(5) 고전압 전원공급기의 전원을 끈 상태에서 상부 전극판과 하부 전극판을 고전압 전원공급기에 연결한다.

(6) 마이크로미터를 돌려 상부 전극판을 내리면서 하부 전극판과 맞닿는 위치를 기록한다. 전자저울에 나타나는 질량이 변하기 시작하는 위치가 상부 전극판과 하부 전극판이 맞닿는 위치이다.

(7) 마이크로미터를 돌려 상부 전극판과 하부 전극판 사이의 간격이 약 5mm정도 되게한 다음, 전원공급기의 전원을 켠다.

(8) 전압을 1~10kV까지 서서히 변화시키면서 그 때마다 전자 저울에 나타나는 질량을 기록한다.

(9) 두 전극판의 간격()을 변화시키면서 (1)~(8)의 실험을 반복한다.

(10) 지름이 다른 전극판으로 교체하여 (1)~(9)의 실험을 반복한다.

5. 결과 및 토의

(1) 전극판의 면적(A) 〓 1.23m

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