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Exp_Old. 자기유도 (전류천칭)
Last Updated 2000/11/22
1. 실험목적
전류가 흐르는 도선이 자기장속에서 받는 힘을 측정하여 자기유도 B를 측정하고, 진공중의 투자율 μ0 의 실험값을 구한다. (실질적으로 공기중에서의 투자율과 거의 동일하다.)
2. 원 리
자기장 B내에서 전류 I가 흐르는 길이 ℓ인 도선은 다음과 같은 힘을 받는다. 즉,
F=Iℓ×B -----------------(1)
자기장에 의한 힘의 크기는
F=BIℓsinθ --------------(2)
여기서 θ는 l 에 흐르는 (+)전류의 방향과 B방향 사이의 각이다.
한편, 솔레노이드(solenoid) 내의 자기장의 세기는
B= μ0 nIs ---------------(3)
여기서 n은 솔레노이드의 단위길이(m)당 코일의 감긴수이고, Is는 솔레노이드에 흐르는 전류이다.
솔레노이드 내의 자기유도 B는 거의 균일하고 중심축에 평행하다 가정한다. 여기서 μ0 는 μ0= 4π×10-7Wb/Ampㆍmeter 로 주어지며, 실질적인 값은 공기중에서의 투자율과 거의 동등하다.
지금 전류천칭을 사용하여 솔레노이드내의 자기유도에 의한 전류도선에 작용하는 힘을 구하고자 한다.
[그림1] 전류천칭의 동작원리
[그림1]은 솔레노이드형 전류천칭의 약도이다. ㄷ자형 회로의 양단에 붙어있는 동선을 접촉자에 걸고 솔레노이드에 전류를 걸어주면 솔레노이드내의 bc에서 전류 I에 수직하게 자기유도 B가 생긴다. B와 도선의 길이 ℓ은 수직하고 식(2)에서 sinθ =sin90°=1 이므로
B = F/Iℓ ------------------(4)
로 된다. 여기서 Is=I 이고, 식(3)을 식(4)에 대입하면
μ0 = F/nI2ℓ --------------(5)
여기서 F, I 를 측정함으로써 B 및 μ0 를 계산할 수 있다.
3. 기구 및 장치
(1) 솔레노이드 코일 (전체 감은수 N=500회)
(2) 전류천칭
(3) 버니어 캘리퍼(Vernier Caliper)
(4) 핏셋, 질량 (rider:200mg), 리드선 2개
(5) 전원장치(110V, 출력 DC 30V-10A)
4. 실험방법
[그림2] 전류천칭 장치도
(1) 솔레노이드의 양쪽 단자에 극성이 바뀌지 않도록 전원장치(슬라이닥스 AC/DC 30V-10A)의 직류측 단자에 연결한다.
(2) 전류천칭의 ㄷ자판이 코일 안쪽으로 들어가도록 접촉자에 올려놓고 수평을 유지하도록 한다. 전류천칭은 입김에도 흔들릴정도로 매우 민감하므로 앞뒤 양쪽으로 흔들리지 않도록 수평을 잘 잡아준다. 만약 중심이 잡히지 않을경우 천칭걸이의 양쪽 끝부분을 사포로 살짝 갈아준다. (접촉자 부분에서 전기적 접촉이 잘 되지않는 경우에도 접촉이 잘 되도록 사포 등으로 갈아준다.)
(3) 솔레노이드 자체가 수평이 되도록 하고 천칭이 솔레노이드의 안쪽벽에 닿지 않는가 자주 확인한다.
(4) 전원장치의 조정다이알이 "0" 위치에 있는가를 확인하고 스위치를 켠다.
(5) 조정다이알을 돌려 전류를 서서히 증가 시키면 전류천칭이 코일 안에서 밑 방향으로 힘을 받는가를 확인하고 전원을 끈다.
(6) 다시 천칭의 평형을 잘 잡고 라이더(200mg)를 천칭위에 일직선이 되도록 0.5 위치에 핏셋으로 걸고 전원을 켠다.
(7) 전류를 서서히 증가 시켜서 천칭이 정확히 수평이 되는 위치의 전류값 I 를 몇 번 반복하여 측정하고 제일 잘 나온값을 기록한다.
(8) 질량(rider)의 위치를 옮길때는 반드시 전원전류를 '0"으로 놓고 전원을 끈 상태에서 옮기도록 한다. 질량의 위치를 0.6, 0.7 ...0.9로 옮겨가며 위의 실험을 반복한다.
[주의]
실험중(천칭에 전류가 흐르고 있을 때)또는 질량을 천칭에 올리기위해 천칭을 접촉자에서 떼지 않도록 한다. (스파크에 의해 천칭과 전원장치가 상함) |
(9) 도선의 길이 ℓ을 자로 측정한다. (천칭상의 선로 양쪽 끝단의 길이를 재어야 하는가? 실제로 힘을 받는 도선의 선로를 잘 고려하여 재보라.)
(10) 솔레노이드 코일의 길이를 버니어 캘리퍼로 재고 코일의 감은수 n을 환산하여 계산한다. (n은 단위길이(m)당 감긴수)
5. 참고 (Reference)
(1) 여러가지 자기장
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[결과보고서] |
1. 측정값
*전류천칭의 BC간의 거리 ℓ= _______
*접촉자에서 BC간의 거리 d = _______
*접촉자에서 라이더까지의 거리 r= _______ |
*라이더의 질량 m= _______
*솔레노이드의 감은수 n= _______ |
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거리r |
Is(A) |
B(T) |
F=(r/d)mg |
μ'=F/nI2ℓ |
오차(%)
(μ0-μ')/μ0×100 |
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0.5 |
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0.6 |
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0.7 |
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0.8 |
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0.9 |
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1 |
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| Is:솔레노이드 전류, B:솔레노이드 내부(중앙) 자기장
F: 전류도선이 솔레노이드 내에서 받는 힘
2. 결과 및 토의
3. 참고문헌
[질 문]
1. 솔레노이드 내부의 자기장속에서 ㄷ자형 환선이 받는힘이 BC 부분만 임을 설명하라. 2. 솔레노이드 내부를 지나가는 자력선을 구하라. | |
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실험실소개
국제캠퍼스
일반물리실험1
1.
