[일반물리학실험]전하 측정

실험 목적

우리는 일상생활에서 다양한 대전 현상을 관찰하게 된다. 예를 들어 건조기에서 꺼낸 옷들이 달라붙는 현상과 건조한 날 풍선을 머리에 대고 비비면 머리카락이 풍선을 따라 붙는 것을 볼 수 있다. 이 밖에 다양한 대전 현상들이 주위에서 일어나고 있는데, 이렇게 접촉과 유도에 의해서 물체를 대전시키고 그 전하를 측정하여 결과를 비교해본다.

 

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

(A) 전하 센서 : 전하를 측정할 때 물체에 가까이 대게 됩니다. (B) 페러데이 통(Faraday Ice Pail) (C) 사이언스워크샵 인터페이스(ScienceWorkshop interface) : 데이터 스튜디오를 통해 데이터를 분석할 수 있게 해줍니다. 전하 발생 막대

실험 방법

1. 실험 과정

1) 전하 발생 막대 두 개를 문질러서 각각 대전되게 만들고 전하 센서를 통해서 두 물체의 대전된 부호를 확인한다.

2) 페러데이 통을 접지시켜 센서의 전기를 초기화 한다.

3) 두 막대를 각각 페러데이 통에 접촉 시켜서 전하 센서를 통해 그래프 화면을 관찰한다.

4) 또한 전하 유도 실험을 하기 위해 페러데이 통을 건드리지 않도록 조심하면서 막대를 통 속으로 내린 후 손가락으로 패러데이 통을 일시적으로 접지하고 그래프 화면을 관찰한다.

 

실험 결과

실험 1.

페러데이 통을 건드리지 않으면서 대전된 막대를 통속으로 내려뜨리기.

파란막대1

흰막대1

  

실험 2.

대전된 막대를 페러데이 통 안쪽 망에 접촉시키기.

파란막대2

흰막대2

 

실험 3.

페러데이 통을 건드리지 않으면서 대전된 막대를 통 속으로 내린 후 막대를 여전히 통 속에 둔 채 한 손가락으로 일시적으로 접지시키고 떼기.

파란막대3

흰막대3

토의 사항

1. 실험 고찰

위 그래프는 실험 1, 2, 3에서의 실험 상황에 따라 측정한 그래프이다. 각 실험은 흰색 가죽 막대와 파란색 비닐 막대를 서로 마찰대전 시켜서 대전된 막대를 페러데이 통에 가까이 가져가보거나 접촉해보고 또는 손가락으로 접지시키는 등 3개의 상황에서 이루어졌다. 모든 실험의 초기에 페러데이 통을 접지시켜서 시행했다.

실험1은 페러데이 통을 건드리지 않으면서 대전된 막대를 가까이 가져가보는 실험이다. 이 실험을 통해 대전된 각 막대의 부호를 관찰할 수 있다. 그래프의 x축은 시간을 의미하고 y축은 전압을 의미하는데 이는 전하량과 비례하는 값이다. <파란막대1>그래프를 보면 막대를 가져갔을 때 그래프가 음의 값을 보임을 알 수 있다. 이를 통해 파란막대는 음의 부호로 대전되었음을 알 수 있고, 마찬가지로 <흰막대1>그래프를 통해 흰막대는 양의 부호로 대전되었음을 알 수 있다.

실험2는 페러데이 통에 대전된 막대를 접촉시키는 실험이다. 실험1에서 관찰한 음의 부호로 대전된 파란 막대를 페러데이 통에 접촉시키면 전자가 막대에서 페러데이 통으로 이동하므로 그래프가 음의 값을 보인다. 여기에서 실험1과 다른점은 실험1은 접촉을 안시켰기 때문에 유도에 의해서 음의 값을 보이지만 실험2는 막대 전자의 이동에 의해서 음의 값을 보이므로 막대를 끌어올려도 음의 값을 계속 유지한다. 마찬가지로 양의 부호로 대전된 흰 막대를 접촉시키면 전자가 페러데이 통에서 막대로 이동하므로 그래프가 양의 값을 보인다. <흰막대2>그래프도 접촉에 의해 전자를 뺏겼으므로 막대를 끌어올려도 양의 값을 계속 유지한다.

실험3은 페러데이 통을 건드리지 않으면서 막대를 내린 후 막대를 여전히 통 속에 둔 채 한 손가락으로 페러데이 통을 일시적으로 접지시키는 실험이다. 그 이후에 접지한 손가락을 떼고 막대도 끌어 올린다. <파란막대3>그래프를 보면 계단 모양의 그래프를 볼 수 있는데, 처음에는 실험1과 같이 페러데이 통을 건드리지 않고 내렸을 때의 그래프 모양을 볼 수 있다. 

그 이후에 막대를 통 속에 둔 채 한 손가락으로 페러데이 통을 접지시키면 전자가 페러데이 통에서 손가락으로 이동하므로 그래프가 양의 값을 향하는 것을 볼 수 있다. 이 후에 접지시킨 손을 떼면 전자를 뺏겼으므로 양의 값을 유지한다. 이 후에 막대를 끌어올리면 그래프가 더 큰 양의 값을 보이는 걸 관찰할 수 있는데, 이는 음으로 대전된 막대가 남아 있는 전자를 전하 센서가 연결된 케이블로 밀어내고 있다가 막대가 끌어올려짐으로써 균형을 맞추기 위해 전자가 케이블에서 페러데이 통으로 이동했기 때문에 측정되는 값이 더 큰 양의 값을 가지게 되고 값이 유지된다. 

마찬가지로 <흰막대3>그래프를 보면 페러데이 통을 건드리지 않으면서 흰 막대를 통 속으로 내렸을 때 <흰막대1>과 같은 모양의 그래프를 볼 수 있다. 이후에 손가락으로 접지시키면 전자가 손가락에서 페러데이 통으로 이동하므로 그래프가 음의 값을 향하는 걸 볼 수 있다. 손가락을 떼면 전자를 얻었으므로 음의 값을 유지하다가 흰 막대를 끌어올리면 더 큰 음의 값을 유지한다. 이 때는 양으로 대전된 흰 막대가 전자를 잡고 있다가 막대가 끌어올려짐으로써 균형을 맞추기 위해 전자가 케이블 쪽으로 좀 더 이동하게 되므로 더 큰 음의 값을 갖게되고 유지한다.

 

2. 결론

접촉과 유도에 의해 물체가 어떻게 대전 되는지 확인하는 실험에서 그래프를 통해 전자의 이동을 이해할 수 있었다. 유도에 의한 것은 전체 전하량이 변하지 않는 반면에 접촉을 하게 되면 외부로부터의 전자 이동이 있어서 전하량이 변하게 된다. 이러한 부분은 그래프의 끝 모양을 보면 알 수 있었다. 실험3에서는 손가락으로 접지를 시켰을 때 그래프가 위아래로 진동이 생겼는데 접지하고 있던 손가락이 가만히 있지 못하고 움직여서 진동이 발생한 것이라고 생각된다.

 

3. 문제 풀이

질문 1 흰색 막대와 파란색 막대에 대전된 전하의 부호는 각각 무엇인가?

흰색 : + 전하 파란색 : - 전하

 

질문 2 흰색 막대의 표면으로 통의 안쪽 바구니를 문지른 후 막대를 제거하면, 통의 전하는 어떻게 되는가?

흰색 막대로 통의 안쪽 바구니를 문지르면 전자친화력이 더 큰 페러데이 통이 전자를 흰색 막대로부터 가져오게 되어서 음의 전하를 띄게 될 것이다. (전자친화력 : 가죽 < 철 )

 

질문 3 파란색 막대의 표면으로 통의 안쪽 바구니를 문지른 후 막대를 제거하면, 통의 전하는 어떻게 되는가?

파란색 막대로 통의 안쪽 바구니를 문지르면 전자친화력이 더 큰 파란색 막대가 전자를 통으로부터 가져오므로 통은 양의 전하를 띄게 될 것이다. (전자친화력 : 철 < 비닐(폴리에틸렌))

 

질문 4 흰색 막대를 통을 건드리지 않으면서 통 속으로 내리면, 통의 전하에는 어떤 변화가 생기는가?

양으로 대전된 흰색 막대를 통을 건드리지 않으면서 내리면 통에 있던 전자들이 흰색 막대를 향해 이동하게 되어 안쪽 통 주면에 전자 밀도가 높아지게 된다.

 

질문 5 전하 막대가 통 속에 있는 동안 일시적으로 통을 접지하면, 통의 전하에는 어떤 변화가 있는가?

양으로 대전된 전하 막대가 통 속에 있는 동안 접지를 하면, 양으로 대전된 막대 때문에 전자가 통으로 더 들어오게 된다. 반대로 음으로 대전된 전하 막대가 통 속에 있는 동안 접지를 하면, 음으로 대전된 막대가 전자를 밀어내므로 통 속에 있는 전자가 적어질 것이다.

 

질문 6 전하 막대를 통 속에서 끄집어내고 나면 통의 전하에는 어떠한 변화가 있는가?

접촉을 안 하고 외부로부터의 전자의 이동이 없었다면, 대전된 막대를 통 속에서 끄집어냈을 때 통의 전하는 균형을 이루어 처음과 같은 전하를 나타낼 것이다. 하지만 접촉을 하게 되면 외부로부터 전자의 이동이 생겨서 대전된 막대를 끄집어냈을 때, 통이 처음에 중성이라면 접촉시킨 막대와 같은 전하를 띄게 될 것이다.

 

질문 7 물체를 접촉시켜서 대전시킨 결과와 유도에 의하여 대전시킨 결과는 어떠한 차이를 보이는가?

물체를 접촉시키면 전자의 이동이 있어서 접촉시킨 물체와 전하가 같아지게 되고, 유도에 의한 것은 접지로 인해 외부로부터의 전자의 이동이 발생함으로 가까이 가져간 물체와 반대전하로 대전이 된다.

 

참고 문헌

1. 최신 대학 물리학 Ⅱ, 북스힐