부산대학교 일반물리학실험2 전류가 만드는 자기장 보고서

소개글

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목차

1. 실험 목적
2. 실험 원리
3. 실험 기구 및 재료
4. 실험 방법
5. 측정값
6. 실험 결과
7. 결과에 대한 논의
8. 결론
9. 참고 문헌 및 출처

본문내용

1. 실험 목적
교류전류가 흐르는 도선에서 발생하는 자기장을 탐지 코일에 유도되는 기전력을 측정하여 구한다. 이로써 직선도선, 원형 도선 주변 및 솔레노이드 내부의 자기장 세기의 분포를 구하고 Faraday 유도법칙과 Biot-Savart법칙에 대해 배운다.

2. 실험 원리

(1) 전류가 만드는 자기장
Ampere고리 내부의 알짜 전류를 라고 하면 Ampere 법칙은 다음과 같다.
(26.1)
여기서 는 투자 상수이며, 그 값은 4이다.
1) 긴 직선 도선에 흐르는 전류가 만드는 자기장
전류 I가 흐르는 무한히 긴 직선도선을 중심으로 반지름이 인 Ampere 고리에 자기장의 크기 B는 고리 위의 모든 점에서 같다. 길이요소 의 방향을 그림과 같이 잡고 반시계방향으로 적분하여 Ampere 법칙을 적용하면 를 얻는다. 즉,
(26.2)

2) 원형 전류 고리가 만드는 자기장
전류 I가 흐르는 반지름 R인 원형도선의 뒤쪽 반에서 Biot-Savart 법칙과 오른손법칙에 의하면 P점에서 전류요소 i가 만드는 자기장 는 와 에 모두 수직하므로 지면과 같은 평면에 있고 그림과 같은 방향을 갖는다.
를 중심축에 평행한 성분 과 수직한 성분 로 나누면 고리의 모든 전류요소에 대해 수직성분 의 합은 대칭성에 의해 0이 된다. 따라서 P점에서의 자기장은 축에 평행한 성분만 남는다. 에 대해 Biot-Savart 법칙을 적용하면 자기장은
(26.3)
이며 =이므로
=
(26.4)
이다. 과 를 z로 표현하여 위 식에 대입하면 는
=
(26.5)
가 되며 I, R, z가 모든 에 대해 같은 값을 가지고 이므로 적분하면
B(z)=
(26.6)
가 된다.

(2) 탐지코일을 이용한 교류 자기장의 측정
각진동수 로 시간에 따라 크기가 변하는 자기장 B(t) 속에 자기장의 방향과 나란하게 탐지코일이 놓여 있다고 하면 탐지코일을 지나는 자기다발 의 크기는 가 된다. 여기서 는 각각 탐지코일의 감긴 횟수와 코일의 단면적을 나타내며, 탐지코일에 유도되는 기전력 는 Faraday 법칙에 따라
(26.9)
가 된다. 따라서 유도기전력의 진폭 가 되고, 이를 자기장에 대해 다시 고쳐 표현하면
(26.10)
가 된다. 한편 유도 기전력의 실효값을 라고 하면 알고자 하는 교류 자기장의 실효값 는
(26.11)
가 되므로 탐지 코일에 유도되는 유도 기전력을 측정하면 교류 자기장을 계산할 수 있다.

참고 자료

일반물리학실험, 제4판, 물리학교재편찬위원회, 청문각, 2017, p. 238~248