[자연과학] 물리학 실험 - 쿨롱의 법칙 실험 보고서

쿨롱의 법칙 실험 보고서

1. 실험목적

일정한 전하로 대전되어 있는 두 도체판 사이에 작용하는 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 간접적으로 확인한다.

2. 관련이론

거리 만큼 떨어져 있는 두 전하 , 사이에는 의 힘이 작용하며, 이 표현식은 쿨롱의 법칙이라 부른다. 전하 , 의 부호가 같을 때 힘은 두 전하를 서로 미는 방향으로 작용하고, 부호가 다를 때는 서로를 끌어당기는 방향으로 작용한다. 정전기력 앞에 (단위계에 따라 그 값이 바뀔 수 있는) 보편상수가 곱해져 있어서 유전상수 가 붙어서 의 값을 갖는다.
일반적으로 축전기는 서로 떨어져 있거나 사이에 부도체가 끼워져 있는 두 도체로 이루어진다. 이 두 도체를 극판이라고 부르며, 평행판 축전기의 경우는 거리가 만큼 떨어져 있는 면적 의 크기가 같은 두 평행 극판으로 구성되어 있다. 두 극판 사이에 전위차 를 가하면 극판들은 각각 크기가 같고 부호가 반대인 전하, , 로 대전된다. 이때 축전기에 대전된 전하 와 전위차 사이에는 선형관계 가 성립하고, 극판의 기하학적 모양과 두 도체 사이에 까인 물질의 유전율에 따라 결정되는 비례상수 를 축전기의…(생략)

3. 실험방법

① 실험장치를 준비한다.

② 측정하기 전에 저울의 수평을 조절한다.

③ 저울 위의 아래쪽이 절연처리된 전극판을 올려놓는다. 이때 장치에 있는 또 다른 전극판과 평행이 되게 놓아야 한다.

④ 전원장치의 출력단자와 콘덴서판을 연결한다. 이때 전원장치의 스위치는 OFF상태로 있어야 한다. 그리고 전원장치의 스위치를 ON으로 하기 전에 전압조정손잡이를 최소로 하여 둔다.

⑤ 전자저울의 용기버튼을 눌러 0.00g으로 맞춘다. 그러면 전자저울에 올려진 것의 무게를 0으로 표시하여 증가분이나 감소분만이 표시되어 변화량을 쉽게 알 수 있다.

⑥ 위 극판과 아래 극판 사이의 거리를 마이크로메터를 사용하여 정하고 두 극판 사이의 거리가 판 전체에 걸쳐서 일전한가를 육안으로 확인한다. 판이 휘어 있거나 극판 사이의 거리가 다르게 되면 일정하게 한 후에 전압을 가하여준다. 그리고 위 극판을 아래로 내리면 아래면과 정확히 일치하는 상태여야 한다.

⑦ 전원장치의 스위치를 ON으로 하고 전압을 서서히 증가시켜 측정하고자 하는 전압으로 맞춘다. 그러면 전압을 변화하는 중에 전자저울의 표시된 값이 달라지게 된다. 그 변화가 동시적으로 안 나타나는 경우일지라도 잠시 후에 표시가 나타나게 된다. (이변화는 무게가 줄어드는 것을 나타내는 “-” 값을 가진다. 이것은 두 극판 사이에 인력이 작용하기 때문이다. 만약 척력이 작용한다면 값의 증가가 나타난다. 척력의 경우를 실험하기 위해서는 양극판에 +의 같은 극성을 연결하여 전압을 공급하면 된다.)

⑧ 극판 사이의 거리를 변화시키기 위하여 전원장치의 전압조정손잡이를 최소로 하여 출련단자에서 전압이 나오지 않게 한 다음 -단자를 +극판에 쇼트시켜 판에 남아 있는 전하를 없애주고 거리를 변화시키고 위와 같은 요령으로 측정을 계속한다.

4. 실험결과