물리학 실험 - 쿨롱(Coulomb)의 법칙
1. 실험목적
평행판 극판을 사용하여 직접적으로 쿨롱의 힘을 측정하여 쿨롱의 법칙을 이해한다.
2. 실험원리
전하의 크기가 각각 , 이고 거리가 만큼 떨어진 두 입자가 있을 때 이 두 입자 사이에 작용하는 정전기힘을 쿨롱의 힘이라 한다. 그 두 입자 사이에 작용하는 정전기힘은 거리 의 제곱에 반비례하고, 거리 이 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 정전기힘은 두 입자 사이의 거리의 제곱에 반비례하고 두 입자의 전하량의 곱에 비례한다. 여기서 는 정전기 상수로써 =8.99×10N·m/C이다. 를 로 바꿔주면 쿨롱의 법칙은 다음과 같이 표현할 수 있다.
여기서 는 유전상수이고 그 값은 =8.85×10C/N·m이다.
그림 1 두 점전하의 부호에 따른 쿨롱의 힘
그림 2 쿨롱의 법칙 실험장치
[그림 2]와 같은 쿨롱법칙 실험장치에서 축전지가 대전되면 두 개의 극판에는 크기가 같고 부호가 반대인 전하 가 생성된다. 축전기에 생긴 전하 는 전위차 에 비례한다.
(1)
여기서 비례상수인 전기용량 는 극판의 모양에 따라 결정되고 평행판의 경우,
(2)
가 된다. 는 극판의 면적이고 는 극판 사이의 거리이다. 축전기를 대전시킬 때 외부에서 해준 일은 다음과 같다.
(3)
축전기에 저장되는 퍼텐셜 에너지는
(4)
해준 일은 로 표현할 수 있으므로 쿨롱의 힘 는
(5)
이다. 그런데 이므로, 식 (5)에 대입하면,
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2016.05.13
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