[자연과학] 일반물리학 실험 - 두 전하 사이의 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 확인

1.실험 목적

쿨롱의 법칙은 두 전하의 크기에 비례하고 두 전하 사이의 거리의 제곱에 반비례하는 힘으로 나타낸다. 두 전하 사이의 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 확인한다.

2.실험 원리

자석은 같은 극을 밀어내고 다른 극끼리는 당긴다는 것을 알고 있다. 전기 현상의 요인을 전하라고 부르며 전하는 질량과 같이 입자가 같은 한 속성이다. 전하를 띤 물체를 대전체라고 한다. 이러한 대전체 사이에도 힘이 작용하며 같은 종류의 전하 사이에는 서로 미는 힘이, 다른 종류의 전하 사이에는 서로 끄는 힘이 작용한다.
쿨롱은 이와 같은 전기힘이 두 대전체가 띤 전하량과 대전체 사이의 거리에 의해 어떻게 다른지를 실험을 통하여 조사하였다. 전기적 힘의 크기는 두 전하량의 곱에 비례하고 대전체 사이의 거리제곱에 반비례한다. 이를 쿨롱의 법칙이라고 한다.
즉, 전기적 힘 F와 전하 사이의 정량적인 관계는 다음과 같다.

(1)

전기적 힘 상수 는 이다. 을 유전상수라 부르며 값은 이다. 즉 전기적 힘도 중력과 마찬가지로 전하 사이의 거리 r의 제곱에 반비례하는 것을 나타낸다. 두 전하 의 부호가 같을 때…(생략)

(2)

3.기구 및 장치

4.실험 방법

1) 그림과 같이 설치한다. 이 때 전원 장치의 스위치는 OFF 상태로 있어야 한다. 그리고 전원장치의 스위치를 ON으로 하기 전에 전압 조정 손잡이를 최소로 하여 둔다.

2) 전자저울이 수평을 이루고 있는 가 확인하고 영점을 맞춘다.

3) 전원 장치와 평행판 사이에 고압 연결선을 연결한다. 전원 장치와 평행판의 접지선을 연결한다.

4) 두 평행판 사이의 거리를 측정한다. 두 평행판 사이의 거리가 판 전체에 걸쳐서 일정한가를 육안으로 확인한다. 판이 휘어있거나 평행판 사이의 거리가 다르면 먼저 일정하게 한다.

5) 전원 장치의 스위치를 ON으로 하고 전압을 서서히 증가시켜 측정하고자 하는 전압으로 조정한다. 그러면 전압을 변화하는 중에 전자저울의 표시된 값이 달라진다. 이 때 전압과 저울 눈금을 기록한다.(이 변화는 무게가 줄어드는 것을 나타내는 “-” 값을 가진다. 이것은 두 극판 사이에 끌어당기는 힘이 작용하기 때문이다.) 이때 전자저울에서 질량의 변화를 이라 하면 전기적 힘의 크기는 (3) 이 된다. g는 중력 가속도이다.

6) 평행판을 바꿀 때 먼저 절연봉을 이용하여 단자를 +극판에 연결시켜 판에 남아있는 전하를 없애주고 평행판의 거리를 변화시키면서 위와 같은 요령으로 측정을 계속 한다.

7) 단면적이 다른 평행판으로 교환하여 같은 실험을 한다.

5. 실험결과

1)측정값1

-6.0x

7.57x