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[자연과학][일반물리학실험] 패러데이 법칙

[일반물리학실험] 패러데이 법칙

1. 실험 제목 : 패러데이 법칙

2. 실험 목적 : 전자기 유도에 대한 패러데이 법칙을 살펴보고 1차 코일에 의해 유도된 2차 코일의 전압과 전류를 측정해 보고, 실생활에 응용된 예를 살펴본다.

3. 관련 이론

패러데이는 유도되는 기전력의 크기가 다른 요인들에 영향을 받는지를 연구하였는데 첫째로 그것이 시간에 의존함을 알았다. 자기장의 빨리 변할수록 더 큰 기전력이 유도된다. 정확히 말하면 전력선속과 유사하게 정의된 자력선속의 변화율에 비례한다.

(1)

으로 정의 되는데 자기장 B는 단위면적당 자력선속 이므로 자속밀도라고도 부른다.
패러데이의 연구결과는 한 회로에 유도된 기전력은 그 회로를 지나는 자력선속의 변화율과 동등하다는 것이다.

(2)

식 (2)를 전자기 유도에 대한 패러데이 법칙이라고 하며, 이 회로가 N회 감긴 원형 도선으로 구성되어 있다면 각 고리에 유도된 기전력을 모두 합해야 한다. 따라서

(3)

로 나타낼 수 있다. 유도기전력은 항상 회로에 전류를 일으키며, 그 전류에 의해 생기는 자기장은 식 (3)의 -부호에서 볼 수 있는 것처럼 원래의 자력선속의 변화에 반대되는 방향으로 일어난다. 이러한 원리를 이용한 것이 바로 변압기 이다.

교류전압이 1차 코일에 걸릴 때, 이것으로 생기는 자기장은 2차 코일에 같은 주파수를 가진 교류전압을 유도한다. 하지만 그 전압은 코일을 감은 횟수에 따라 달라지며 2차 코일에 유도되는 기전력은

(4)

여기서 는 2차 코일에 감긴 횟수이고, 는 자력선속의 시간에 대한 변화율이다. 1차 코일의 입력전압 도 자력선속의 변화율에 관계된다.

(5)

식 (4)에서 식 (5)를 나누면

(6) 을 얻는다.

변압기를 이용하면 전압을 올리거나 내릴 수 있지만 에너지는 얻을 수 없다. 따라서 입력전력과 출력전력은 같아야 한다.

(7)

4. 실험 방법

A. 자기장 크기의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류 측정
① Interface 전원공급단자 앞에 current sensor를 설치한다.
② Current sensor를 통과한 라인이 Helmholtz coil을 직렬로 통과하도록 설치한다.
③ Helmholtz coil의 중간에 induction wand가 위치하도록 장치를 꾸민다.
④ Voltage sensor를 interface와 induction wand에 연결한다.
⑤ Interface의 전원에 주파수 및 파형을 변화시키면서 induction wand에 유도되는 유도기전력의 파형과 회로에 흐르는 전류의 파형을 확인한다.

B. 일정한 자기장에 통과하는 폐회로의 곡면의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류 측정
① Induction wand를 rotary motion sensor에 연결하고 스탠드에 고정시킨다.
② 두 개의 자석 사이로 induction wand가 통과할 수 있도록 장치를 꾸민다.
③ 자석 사이의 자기장이 일정하도록 최대한 가까이 위치하도록 조절한다.
④ Voltage sensor를 interface와 induction wand에 연결한다.
⑤ Induction wand를 단진자운동을 시키고, 이때 유도되는 유도기전력을 확인한다.
5. 실험 결과
1. 자기장 크기의 변화에 유도되는 기전력 및 전류 측정

1) = 100 Hz 일 때, 유도기전력 및 회로에 흐르는 전류 확인 (3가지 파형 : 정현파, 사각파, 삼각파)
2) = 1 kHz 일 때, 유도기전력 및 회로에 흐르는 전류 확인 (3가지 파형 : 정현파, 사각파, 삼각파)

2. 일정한 자기장에 통과하는 폐회로의 곡면의 변화에 따른 유도기전력 및 유도전류 측정

1) Induction wand를 단진자 운동을 시켰을 때 유도되는 유도기전력 확인

6. 분석 및 토론 : 실험 결과를 보니 100Hz인 경우와 1000Hz인 경우에서 current와 output voltage 는 두 경우가 동일하였다. 허나 voltage의 경우 각각 0.5V와 0.2V로 도출되었다. 또한 voltage와 output voltage는 마루와 골의 위치가 동일하였지만 current의 경우 1/2주기의 차이를 보였다. 패러데이의 법칙에 의해 만약 induction wand를 정지시키지 않고 움직임을 주었다면 current의 폭은 증가할 것이다. induction wand의 단진자 운동실험에서는 단진자의 움직이는 속도가 점점 줄어들수록 유도 전류 또한 감소하는 것을 관찰 할 수 있었다.

7. 관련 자료 및 서적 : 일반물리학 실험


자료출처 : http://www.ALLReport.co.kr/search/Detail.asp?pk=11082562&sid=sanghyun7776&key=



[문서정보]

문서분량 : 4 Page
파일종류 : HWP 파일
자료제목 : 자연과학 업로드 일반물리학실험 업로드 패러데이 법칙
파일이름 : [자연과학][일반물리학실험] 패러데이 법칙.hwp
키워드 : 자연과학,일반물리학실험,패러데,법칙,업로드,패러데이
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