[레포트] 헬름홀츠의 코일 실험보고서

1. DataStudio를 실행시키고 셋업시킨다.

2. 실과 20g의 추를 매단 후, 코일의 반지름과 감은 도선의 수를 기록한다.

3. 코일에서 15cm 떨어진 곳에 센서를 두고, 직류전원을 전류 0.5A로 맞추어 준다.

4. DataStudio를 시작하고, 센서를 축을 따라 코일의 반대쪽 15cm 지점까지 이동시킨다.

5. DataStudio를 이용하여 실험한 그래프와 이론치의 그래프를 비교해 본다.

6. 기존의 코일에서 반지름만큼 떨어진 위치에 다른 코일을 놓고, 직류전원을 전류 0.5A로 맞추어 준다.

7. 4-5의 과정을 해준다.

8. 4-7의 과정을 1.5(반지름=)R, 0.5R 일 때를 각각 반복하여준다.

9. 이론치의그래프와 실험그래프를 비교한다.

10. 실험장비를 정리한다.

두 코일의 간격을 반지름과 같게 두면 코일들 사이의 자기장은 거의 균일해지는가?

? 균일하다. 간격과 반지름을 같게 둬서 자기장을 균일하게 만든 것을 헬름홀츠의 코일이라고 부른다. (네이버 백과)

관찰 및 결과

코일의 반지름 R = 0.105m

코일에 감긴 도선의 수 N = 200

전류(A)

반지름의 1.5배

반지름의 0.5배

0.5A

0.5A

0.5A

0.5A

<표1> 코일에 흐르는 전류

싱글 코일

d=0.5R, 더블 코일

d=R, 더블 코일

d=1.5R, 더블 코일

분석 및 토의

? 식 (2) : (N= 200, R= 0.105m) → 약 1.20mT/A

그래프 : 약 1.12mT/A

오차율은 약 7%이다.

? 식 (5) : → 약 1.71mT/A

그래프 : 약 2.5mT/A

오차율은 약 30%이다.

? 전류를 0.5A로 맞추어 주었지만 정확했다고는 할 수 없다. (정확하게 맞추어줘도 조금씩 변화하는 모습을 보였다.) 전류는 도선의 상태에 따라 혹은 주변의 금속물체 라던가에 영향을 받으므로 0.5A가 정확하게 나오지는 않는다.

결론 및 오차의원인

그래프를 살펴보면 d=r일 경우에는 균일한 자기장이 형성되어 그래프의 골이 미세한 것을 알 수 있으며, 이 경우를 헬름홀츠의 코일이라고 한다. 그리고 d와r의 관계에 따라서 그래프의 골의 길이가 달라지는데, d>r인 경우에는 그래프 중간의 골이 가로로 d만큼 있다.

중앙으로 갈수록 자기장이 중첩이 일어나서 다른 곳보다 자기장의 세기가 큰 걸로 보이고 너무 멀리 떨어지면 코일의 가운데 위치했을 때가 자기장의 세기가 작은 것으로 보인다.

우리조의 실험이 제일 일찍 끝나고 실험결과 역시 오차가 적은 편이라서 뿌듯했다. 특히 단일코일의 경우는 이론치와 실험치의 그래프가 거의 일치한다고 봐야할 정도로 정확했다. 나머지 두 그래프 역시 약간의 오차는 있지만 비교적 정확하다고 생각한다. 또한 오차율을 보아 코일 두 개가 훨씬 오차가 컸는데 코일의 수가 늘어나면 그만큼 통제해야할 변인이 많아지기 때문으로 보인다.

이 실험에서 오차가 발생할 수 있는 요인으로는 첫째로는 기구들의 결함일 수 있다. 스탠드에 제대로 지지시키지 못하였거나, 코일의 반지름의 길이가 정확하지 않거나, 두 코일 사이의 거리를 정확하게 측정했는지가 중요하다. 코일을 지지하는 부분이 두껍고 거리의 눈금이 세밀하지 않아서 오차의원인일 가능성이 있다. 게다가, 코일사이의 거리는 손으로 직접 움직여서 했으므로 정확성이 떨어질 가능성이 크다. 그리고 Datastudio의 저장된 파일에 결함이 많이 있어서 실험할 때도 애를 먹었었는데 그 부분이 문제였을 수도 있다. 또한 코일이 잘 움직여지지 않았던 점이나 무게중심이 잘 맞지 않아서 자꾸만 한쪽으로 기울었던 것 역시 원인일 수 있다.

두 번째 요인으로는, 자기장센서(자기장 검출기) 를 이용한 실험이므로 센서 가까이에 금속물체가 있으면 금속에 의한 자기장, 지구 기장 등에 감지되었을 수 있다.

세 번째 요인으로는, 모션센서를 움직일 때 짧게(길게) 움직였거나 정확히 거리를 가지 못하였거나, 부드럽지 못하게 움직여서일 수도 있다.