일반물리학실험 - 등전위선과 전기장

일반물리학실험 - 등전위선과 전기장

▣ 실험 목적
주어진 전극 배치에 대해 등전위선과 전기력선을 그려봄으로써 전위와 전기장의 개념을 이 해한다.

▣ 실험 원리
점전하 q와 q^ 사이에는 쿨롱의 법칙에 의해서 다음과 같은 힘이 작용한다.
F ⃗=K qq /r^2 r ̂ (23.1)
여기서 K는 상수로 8.99×〖10〗^9 Nm^2/C^2이고, r은 두 전하 사이의 거리이며, r ̂은 단위 벡터이다. 임의의 점전하 q가 다른 전하로 인해 생긴 전기장 E ⃗로 인해 힘 F ⃗를 받을 때 그 점에서의 전기장은
E ⃗=F ⃗/q (23.2)
로 정의되며 그 점의 전위 V는 단위 전하당의 위치에너지로 정의된다. 그러므로 전하 q에서 거리 r 만큼 떨어진 위치에서의 전위는
V=1/(4_0 ) q/r (23.3)
이 된다. 이 식으로부터 점전하 q에서 방사상으로 같은 거리 r 만큼 떨어진 점의 집합인 구의 표면이 전위가 같은 등전위면임을 알 수 있다. 이와 같이 전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재하며 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다.
전기장 E ⃗ 하에서 전하 q를 한 점에서 다른 점으로 dl ⃗만큼 이동시키는 데 필요한 일 dW는 다음 식과 같이 주어진다.
dW=q dV=-qE ⃗∙dl ⃗ (23.4)
여기서 dV는 두 점 사이의 전위차이며, (-)부호는 전기장의 반대방향으로 일을 하는 것을 뜻한다. W와 q의 단위가 각각 Joule과 Coulomb이면, 전위 V의 단위는 Volt로 주어진다.
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