현대물리학 실험 - Variable Gap Magnet 실험

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현대물리학 실험 - Variable Gap Magnet 실험
현대물리학 실험 - Variable Gap Magnet

1. 목 적

자석 사이의 자기장에 어떠한 물체들이 들어오면 그에 따라 변화하는 것을 알 수 있는데, 이러한 변화가 왜 일어나는지 알아보고 그 변화가 예상한 결과대로 나타났는지 확인하고 토의해보자.

2. 실험원리

1) 로렌츠 힘의 법칙
자석이 쇠를 끌어당기는 것이나 나침판이 북쪽을 가리키는 것은 자기적인 현상으로 움직이는 전하가 개입되어 있다. 전하가 움직이지 않더라도 나타나는 전기적인 현상과는 달리 전하가 움직일 때만 나타나는 자기적인 현상은 일견 서로 관련성이 없어 보이지만 상대성 이론에 의하면 동등한 현상임이 설명된다. 둘 사이의 관련성이 밝혀지기 시작한 것은 1873년 맥스웰 (J. C. Maxwell, 1831-1879)에 의한 통일장이론이고, 완전히 규명된 것은 1905년 아인슈타인의 특수상대성 이론에 의해서 이다. 그 이전에는 자기학은 전기학과 독립적으로 발전하여 왔으며 둘 사이의 연관은 단지 전기력이나 자기력의 힘이 전하에 의한다는 것 외에는 없는 듯이 보였다. 따라서 여기서는 역사적인 맥락에 따라서 흐르는 전하, 즉 전류끼리 서로 힘이 작용하는 경험법칙으로부터 자기장의 개념을 알아본다.
자석끼리 당기거나 밀어내는 힘의 근원은 흐르는 두 전류가 서로 힘을 작용하는데서 기인한다. 이는 한 전류가 자기장을 만들고 자기장의 분위기에 놓여있는 전류가 힘을 받는 것으로 이해할 수 있다. 자기장이 있을 때 움직이는 전하가 받는 힘은 다음과 같은 로렌츠의 힘의 법칙으로 표현되어,
과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 전하는 속도로 움직이며 이 속도가 없으면 자기력을 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한 전하는 전기장에 의한 힘을 받고 있으므로 전기장과 자기장이 공존할 때의 힘은 아래와 같다.

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