일반물리학 실험 - 등전위선의 측정

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일반물리학 실험 - 등전위선의 측정
[등전위선의 측정]
1. 실험 목적

도체판(또는 전해질)에 전류를 흐르게 하여 그 위에 등전위선을 그리고, 전기장과 등전위선에 관한 성질을 이해한다.

2. 실험 원리

전위차를 가진 두 전극(전하) 사이에는 항상 전기장이 존재한다. 전하량 q의 하전입자가 전기장 내에서 힘 F를 받을 때, 그 점에서의 전기장은 E=F/q로 정의된다. 한편, 그 점의 전위 V는 단위전하당의 위치에너지로 정의된다. 전기장 내에는 같은 전위를 갖는 점들이 존재한다. 이 점들을 연결하면 3차원에서는 등전위면을, 2차원에서는 등전위선을 이룬다. 전기력선이나 등전위면은 전기장 내에서 무수히 많이 그릴 수 있다. 하나의 점전하 Q가 만드는 전기장의 전기력선은 Q가 있는 점을 중심으로 하는 방사선으로 그림 2.1.1(a) 와 같으며, 등전위면은 Q점을 중심으로 하는 동심구면이 된다. +Q의 점전하와 -Q의 점전하가 공간에 놓여 있을 때는 그림 2.1.1(b) 와 같은 전기력선과 등전위면을 그릴 수 있다.

등전위면 위에서 전하를 이동시키는 데 필요한 일 (W = q∆v)은 영(0) 이므로, 그 면에 접한 방향에는 전기장의 값이 없다. 따라서, 전기장의 세기는 그 면에 수직이다. 전기장이 일을 한다는 것은 점전하가 전위의 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동해가는 경우이므로 전기력선은 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 향한다. 따라서, 전기장 E의 방향은 그 점에서 전위 V가 가장 급격히 감소하는 방향이며, 그 방향으로의 미소변위를 dl이라 하면, E 와 V사이의 관계식은
→ → → ^
V = ∫dE ∙ dl = ∫dE ndl

또는
→ ^
E=(dv/dl)n
이다. 따라서, 전기장 E는 등전위선(면)에 수직이 된다.
^
n은 등전위면(선)에 수직인 단위벡터이다.
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