[자연과학]물리실험 - 등전위선 측정

■ 실험 목적
물을 이용하여 여러 가지 형태의 전극에 대한 등전위선을 찾아 전기장의 개념을 이해한다.
■ 실험 기구 및 장치
여러 모양의 전극(직사각형, 반원형, 큰 원형, 작은 원형), 전극 연결선, 고정 검침봉, 이동 검침봉, 측정용 용지(모눈종이), 비커, 주사기, 검류계(내장)
■ 이 론
전하량 Q인 점전하가 공간에 놓여 있을 때 생기는 전기장은 다음 그림과 같다. 점전하 Q의 근처에 또 다른 전하 q가 놓여 있다고 하자. 전하 q가 갖는 위치 에너지는 쿨롱의 법칙에 의해서 주어지는데, 위치 에너지가 같은 점은 등전위에 있다고 한다. 쿨롱의 법칙에 따라서 등전위면은 전하 Q를 중심으로 한 구의 표면이 될 것이다. 이 때 점전하 Q에 의한 전기장의 방향은 등전위면에 수직이며, 이 전기장의 선은 전기력선과 방향이 같으므로 역선이라고 한다. 전하 q가 등전위면 위에서 움직이면, 전하 q의 위치 에너지 변화가 없으므로 이 성질을 이용하여 등전위면을 찾을 수 있다.
점전하 +Q와 -Q가 동시에 존재하는 경우의 등전위면은 어떻게 나타날 것인가? 이 때 역선의 형태는 그림 3과 같다.
앞에서 언급한 바와 같이 …(생략)

① 비커를 이용하여 고정 검침봉이 물에 살짝 잠기도록 수조에 물을 붓는다.

② 여러 전극 모양 중에 적당한 한 가지를 선택하여 수조 바닥의 눈금의 위치에 배치한다. (바닥에 표시된 곳 이외에도 가능하다.)

③ 전극에 전극 연결용 선을 연결한 후 전원 스위치를 켠다. 전극 사이에 가하는 전압을 적당히 고정하여 둔다.

④ 고정 검침봉을 적당한 위치에 놓고 이동 검침봉을 이리저리 움직여 검류계가 0이 되는 (전류가 흐르지 않는) 점을 찾는다. 이 때 이동 검침봉이 물에 수직하게 되도록 한다. 또한 이동 검침ㅂ봉을 움직일 때 고정 검침봉은 언제나 고정되어 있도록 한다. 그 곳의 좌표를 읽어 측정용 용지에 기록한다.

⑤ 7～8곳의 점을 찾아 연결하여 등전위선을 찾는다. 고정 검침봉의 위치를 바꾸어 가면서 여러 개의 등전위선을 찾는다. (6개 이상 찾아본다.)

⑥ 등전위선에 수직선을 그어 역선을 그린다.

⑦ 전극의 위치를 바꾸거나 모양을 바꾸어 새로운 등전위선을 찾아본다.

⑧ 실험이 끝난 후에 주사기를 이용하여 수조의 물을 완전히 빼낸다.

1. 오차의 원인

① 우선 가장 큰 원인은 이동 검침봉이었다. 이동 검침봉은 손으로 직접 작동 시켜야 했기 때문에 오차가 발생할 수 밖에 없었다. 손이 조금씩 떨리기 때문에 그것을 완전 수직으로 세운다는 것 자체가 불가능했고 미세한 움직임에도 전위는 변했기 때문에 정확히 0이 되는 지점을 찾기가 여간 힘든게 아니었다.

② 이동 검침봉을 움직이거나 전극에 연결된 선의 뒤틀린 힘 때문에 전극이 이동해버리는 경우가 많았다.

③ 좌표를 체크하는데에 문제가 있었다. 한 사람이 이동 검침봉을 움직이면서 전위가 0이 되는 지점을 찾아 불러주면 다른 한 사람이 기록하였는데, 그 과정의 편의를 위해서 네모난 좌표의 모서리를 위주로 등전위선을 찾았다. 그래서 대부분의 점들에서 조금씩 오차가 났다.

④ 전압이 낮아서 전류가 0이 되는 점이 많이 나타나서 정확한 등전위선을 찾지 못하곤 하였다.

2. 고찰