일반물리학 실험 - 쿨롱의 법칙 실험

1. 목적

평행판 극판을 사용하여 직접적으로 쿨롱의 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 이해한다.

2. 원리

전하의 크기가 각각 이고 거리가 r만큼 떨어진 두 입자가 있을 때 이 두 입자 사이에 작용하는 정전기 힘을 쿨롱의 힘이라 한다. 그 두 입자 사이에 작용하는 정전기 힘은 거리 r의 제곱에 반비례하고, 거리 r이 일정한 경우 두 입자의 전하량 의 곱에 비례한다.

이 두 식을 통해 쿨롱의 법칙을 유도할 수 있다.

(쿨롱의 법칙)

즉, 두 입자 또는 점전하 사이의 정전기 힘은 두 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례하고 두 입자의 전하량의 곱에 비례한다. 여기서 k는 정전기 상수로써 이다. k를 로 바꿔주면 쿨롱의 법칙은 다음과 같이 표현할 수 있다.

여기서 는 유전상수이고 그 값은 이다.

그림 3-1 두 점전하의 부호에 따른 쿨롱의 힘

그림 3-2 쿨롱의 법칙 실험장치

[그림 3-2]와 같은 쿨롱법칙 실험장치에서 축전지가 대전되면 두 개의 극판에는 크기가 같고 부호가 반대인 전하 q가 생성된다. 축전기에 생긴 전하 q는 전위차 v에 비례한다.

q=CV

여기서 비례상수인 전기용량 C는 극판의 모양에 따라 결정되고 평행판의 경우,

가 된다. A는 극판의 면적이고 d는 극판 사이의 거리이다. 축전기를 대전시킬 때 외부에서 해준 일은 다음과 같다.

축전기에 저장되는 퍼텐셜 에너지는

해준 일은 로 표현 할 수 있으므로 쿨롱의 힘 F는

이다. 그런데 F=mg이므로, 에 대입하면,

3. 실험기구

쿨롱의 법칙 실험장치, 고전압 전원 공급기(DC 0~15kV, AC 6.3V), 고전압 연결선, 전자저울

4. 실험방법

(1) 쿨롱의 법칙 실험장치의 이동지지대에 상부 전극판을 연결한다.
(2) 이동지지대의 마이크로미터를 돌려 눈금이 약 20mm가 되도록 한다.
(3) 하부 전극판을 전자저울 위에 올려놓는다.
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