일반물리학 실험 보고서 3 - 전류 저울

1. 실험 목적

전선에 직류전류가 흐르게 한 뒤 자기장에 의해 받는 힘을 측정하여 자기장을 계산한다.

전류와 자기력 사이의 관계를 이해한다.

2. 실험 원리

(1) 자기력

 자기력은 자석에 의한 자기장과 전류가 흐르는 도선에 의해 발생한 자기장이 보강 또는 상쇄됨에 따라 자기장이 보강된 곳에서 상쇄된 쪽으로 작용하는 힘이다.

 

(2) 자기력의 방향

 자기력의 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 알 수 있는데

플레밍의 왼손법칙

위에서 보는 바와 같이 왼손의 첫째, 둘째, 셋째 손가락을 서로 수직이 되게 폈을 때 둘째 손가락이 가르키는 방향이 자석에 의한 자기장의 방향이 되고 셋째 손가락이 가르키는 방향이 전류가 흘러가는 방향이 되며 이 때 첫째 손가락이 가르키는 방향이 자기력의 방향이 된다.

 

(3) 자기력의 크기

자기력의 크기는 자기장의 세기(B)와 전류의 세기(I), 전류가 흐르는 도선의 길이(L)의 곱을 통해 나타낼 수 있다. 

자기력 크기 식

자기장과 전류 사이의 각도도 자기력의 크기에 영향을 준다.

전류의 방향과 자기장 사이의 각을 라고 하면 자기력의 크기는

식

가 된다. 자기력의 크기 식에 사인함수가 들어가는데, 사인함수가 가장 큰 값을 가질 때는 ⌀가 90인 경우이다. 따라서 자기력의 크기가 가장 클 때는 자기장과 전류의 사잇각이 90일 때이다. 

식

값이 주어진 상태에서 힘Fb를 측정하면 자기장의 크기 B는

식

로 구할 수 있다.

3. 실험 기구 및 재료

전류 고리  세트, 전자저울(0.01g), 멀티미터, 직류 전원 공급기

4. 실험 방법

(1) 직류 전원 공급기의 정전류 상태 설정

1. 직류 전원 장치의 (+), (-) 출력 단자에 아무것도 연결시키지 말고 전원을 켠다.
2. 전압 조정 손잡이를 돌려 3V에 맞춘 뒤 회로에 연결한다
3. 정전류 상태 표시등(CC)이 켜진 것을 확인한 후 전류 조정 손잡이를 돌려 전류를 공급한다.

(2) 전류와 자기력

회로 구성

1. 위의 그림과 같이 장치를 한다.
2. 저울을 켠 뒤 자석 장치를 저울 위에 올리고 전류 고리를 내려서 고리면이 자기장의 방향과 나란하도록 자석 장치의 위치를 조정한다.
3. 전류를 0A로 조절하고 저울의 ‘용기’ 버튼을 눌러 저울 눈금이 0이 되게 한다.
4. 0부터 최대 3A까지 0.5A단위로 올리면서 저울을 읽고 힘을 계산하여 기록한다.
5. 전류와 힘의 그래프를 그리고 자기장을 구한다.

(3) 도선의 길이와 자기력

1. 길이가 다른 전류 고리를 3개 선택하여 (2)의 과정을 되풀이한다.
2. 전류를 0부터 최대 3A까지 0.5A단위로 올리면서 도선의 길이와 힘의 그래프를 그리고 자기장을 구한다.

5. 측정값

전류와 자기력

전류와 자기력 결과

도선의 길이와 자기력

도선의 길이와 자기력 결과

도선의 길이와 자기력 결과

6. 실험 결과

그래프

그래프

7. 결과에 대한 논의

측정값을 통해 전류 대 힘의 그래프를 그렸는데,

전류 대 힘의 그래프를 보았을 때 그래프가 일차함수의 형태와 가깝게 그려지는 것을 볼 수 있었다. 전류가 증가함에 따라 힘이 증가한다는 뜻이므로 둘은 비례관계에 있음을 알 수 있다. 이 그래프에서 기울기는 자기장과 도선의 길이의 곱인데 자기장과 도선의 길이의 값은 모두 일정함으로 기울기도 일정하게 되어 전류 대 힘의 그래프의 형태도 일차함수의 형태로 그려질 수 있다.

각 전류마다 자기장을 구했을 때 값에서 차이가 나는 것을 볼 수 있었는데 이는 전류저울을 잴 때 약간 건드리거나 움직이기만 해도 질량의 값이 변하여 정확한 질량을 재는데 어려움이 있었기에 여기에서 오차가 발생 했다. 또 직류전압공급기에서 전류를 공급할 때 정확한 값을 맞추는데 어려움이 있었는데 이것도 오차가 발생 하게 된 원인 중 하나일 것이다.

8. 결론

도선의 길이에 따라 전류의 크기를 일정하게 바꿔가며 전류저울로 질량을 측정하고,

측정값을 통해 힘과 자기장, 도선의 길이별 전류 대 힘의 그래프를 그렸다.

이론에 따라 실험을 통해 얻은 힘과 전류간의 그래프는 직선함수이며 기울기는 B*L이다.

각 도선의 길이에서 자기장의 크기는 전류와 상관없이 약간의 오차 값을 제외하면 거의 일치하는 값이 나왔다.

---

잘못된 내용이 있다면 언제든지 댓글이나 메일로 알려주시면 감사하겠습니다.

이 포스팅이 도움이 되었다면 공감 부탁드립니다.

궁금한 점은 언제든지 댓글 남겨주시면 답변해드리겠습니다:D