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[자연과학] [일반물리학 실험] R-C 시상수측정


실험과제 > 물리
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자료설명
[자연과학] [일반물리학 실험] R-C 시상수측정
본문/내용
[일반물리학 실험] R-C 시상수측정

1. 목적

직류전원에 의해 축전기에 전하가 충전되는 양상을 관찰하고, R-C 회로의 전기적 특성을 대표하는 시상수를 측정하여 축전기의 직력, 병렬연결에 대한 등가 전기용량을 알아본다.

2. 이론

축전기와 전기저항으로 구성된 R-C 회로에 키르히호프(Kirchhoff) 제2법칙을 적용하면

이 된다. 기전력 E의 전지로 충전할 경우와 완전 충전 후(축전기 양단 전위차가 E일 때) 전지 없이 방전시킬 경우 축전기 양단 전위차 (또는 축전기에 충전되는 전하량 )의 시간에 따른 변화는 각각 다음과 같다.

…(생략)

(1) 그림 Ⅲ-20과 같이 되도록 100k 전기저항과 100uF 축전기를 건전지와 함께 회로판에 연결한다.

(2) 스위치(switch)를 끊어 놓은 채로 축전기의 양단(B 와 C)을 전선으로 연결함으로써 축전기를 완전 방출된(전위차 0V) 상태가 되도록 한다.

(3) 스위치를 연결하고 전압계에 나타나는 전위차의 변화를 관찰한다.

(4) 축전기에 완전히 충전된 후(전위차의 변화가 더 이상 없을 때) 스위치를 끊고 이때 전위차의 변화가 거의 없는 것, 즉 충전된 전하가 빠져나감이 없음을 확인한다.

(5) 점 A와 점 C를 전선으로 연결하고 충전된 전하가 방전함에 따라 나타나는 축전기 양단의 전위차의 변화를 관찰한다.

(6) 과정 ② ~ ⑤의 과정을 되풀이하여 충전과 방전에 따른 변화를 익힌다.

(7) 이제 ② ~ ⑤의 과정을 되풀이하되 과정 ③에서 스위치를 연결한 직후부터 5초, 10초, 15초, 20초, 25초, 30초, 35초, 40초 후의 전위차가 Vc를 측정하여 기록하고, 과정 ⑤에서 전선을 연결한 직후부터 40초까지 5초 간격으로 전위차 Vd를 측정한다. 측정한 Vc와 Vd가 각각 수식 (2)와 (3)에 따름을 그래프로 확인해 본다.(최소제곱법을 이용하여 시간상수 T와 전기용량 C를 결정한다.)

(8) 과정 ⑦과 같이 ② ~ ⑤의 과정을 되풀이하되 이번에는 과정 ③에서 스위치를 연결한 후부터 전위차가 에 도달 할 때까지 걸리는 시간 를 측정하고 완전 충전된 후의 축전기 양단의 전위차를 측정한다. 또한 과정 ⑤에서 전선을 연결하여 방전시키는 과정에서 전위가 1.000V인 순간부터 가 될 때까지 걸리는 시간 를 측정한다.(이때는 stopwatch를 이용하는 것이 편리할 것이다.) 방전과정에서 측정한 를 T라 할 때의 수식 (2)와 (3)을 과정 ⑦에서 그린 그래프와 비교하라. 측정한 와 가 같은가 다르다면 왜 그럴까

(9) 100uF 축전기를 330uF 축전기로 바꾸어 과정 ⑧을 되풀이한다. 이를 통하여 축전기의 전기 용량에 따른 시간상수의 변화를 살펴본다.

(10) 이번에는 100uF 축전기와 220k 전기저항을 이용하여 과정 ⑧을 되풀이함으로써 전기정항에 따른 시간상수의 변화를 살펴본다.

4. 실험 결과

5. 분석 및 토의



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