도선에 전류가 흐르면 주위에 자기장이 생성된다. 이 때, 주어진 전류가생성하는 자기장이 전류에 수직이고 전류에서의 거리의 역제곱에 비례하며, 방향은 앙페르의 오른나사 법칙으로 정한다.

7분반 9조20120536 안아주20140561 이창호

Physics 104. Design & Build Lab

Introduction Principle

Experiment

Reference

Ⅰ 솔레노이드 전류와유도기전력의 세기

Procedure

· Jonathan Hall, Forces on the Jumping Ring , THE PHYSICS TEACHERS VOL.35, FEB. 1997. pp 80-83.

·PHYSICS104 General Physics Lab II Manual, Department of Physics POSTECH . Pp 73-79.

·두산백과사전

실험1 그래프1 (error bar_표준오차)

실험1 그래프2 (error bar_3%)

Ⅱ 솔레노이드 전류와유도전류 사이의 위상차

Ⅳ 솔레노이드 전류와 고리의반지름방향 자기장 세기실험 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘

1회 3.9 14.9 3.52 11.7 3.11 8.7 2.73 6.6 2.39 5.4 1.87 3.1 1.66 2.2 1.33 1.4 0.995 0.73 0.615 0.24

2회 14.5 11.5 8.8 6.6 5.3 3.1 2.4 1.5 0.73 0.21

3회 14.4 11.3 8.7 6.9 5.3 3.1 2.4 1.5 0.73 0.21

4회 14.2 11.2 8.7 6.9 5.3 3.1 2.4 1.5 0.74 0.23

5회 13.7 11.2 8.6 6.8 5.3 3.2 2.4 1.5 0.73 0.23

평균 14.34 11.38 8.7 6.76 5.32 3.12 2.36 1.48 0.732 0.224

표준편차 0.160416 0.079162 0.02582 0.055377 0.01633 0.01633 0.03266 0.01633 0.001633 0.004899

코일

두께 (cm) 1.1

L 8.09

실험 1회 2회 3회 4회 5회 6회 7회 8회 9회 10회

전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압 전류 전압

1회 3.7 0.039 3.21 0.034 2.79 0.029 2.48 0.026 2.28 0.023 2.04 0.021 1.73 0.017 1.47 0.014 1.04 0.01 0.58 0.005

2회 0.039 0.034 0.029 0.026 0.023 0.021 0.017 0.014 0.01 0.005

3회 0.039 0.033 0.029 0.026 0.024 0.021 0.017 0.014 0.009 0.005

4회 0.04 0.034 0.029 0.026 0.024 0.021 0.017 0.014 0.009 0.005

5회 0.039 0.034 0.029 0.026 0.023 0.021 0.017 0.013 0.009 0.005

평균 0.0392 0.0338 0.029 0.026 0.0234 0.021 0.017 0.0138 0.0094 0.005

표준편차 0.000365 0.000365 1.42E-18 1.42E-18 0.000447 0 0 0.000365 0.000447 0

• 이번 DBL 과정에서 전자기유도를 기초

원리로 작동하는 금속 고리 발사장치를

직접 설계, 제작 그리고 실행해보고,

비오사바르 법칙과 페러데이의 전자기

유도 법칙 등의 원리가 실제로 어떻게

작용하는지 알아보았다.

• 완성된 금속 고리 발사장치를 이용하여

솔레노이드에 인가되는 교류 전압이

달라질 때의 장치에 적용되는 다양한

물리량의 값을 측정하여 금속고리가

발사되는 원리를 실험을 통해 증명하였다.

• Biot-Savart’s law

• 전자기 유도

도체의 주변에서 자기장을 변화시켰을 때 전압이 유도되어 전류가흐르는 현상이다. 이 때 회로 내에 유발되는 기전력의 크기는, 회로를관통하는 자기력선속의 시간적 변화율에 비례한다. 또한 유도전류와유도기전력은 원래의 자기장의 변화를 상쇄하는 방향으로 발생한다.

Conclusion & Discussion

• 8cm 길이에 약300번 코일을 감아

솔레노이드를 만들고 전류를 흘러주었다.

솔레노이드에 흐르는 전류에 의해 강한

자기장이 발생하여 이 변화에 의해

금속고리에 반대의 방향으로 유도전류가

발생하고 둘 사이에는 반발력이 작용하게

된다. 이 반발력을 이용하여 고리를 날렸을

때 약 140cm 날아가는 것을 확인할 수

있었다.

• 실험을 진행할 때마다 고리의 온도가

상승하여 고리의 저항값이 커지고, 고리에

흐르는 전류의 값이 작아졌다. 이로 인해

솔레노이드의 전류값에 따른 힘 측정에

오차가 발생하게 되었다. 또한 측정에

사용된 저울이 책상을 건드리는 등의

미세한 자극에도 크게 반응하여 힘을

측정하는 데 어려움이 있었다. 이와 같은

사항을 주의하여 실험을 진행한다면 더

좋은 결과를 얻을 수 있을 것이다.

y = 0.9423x - 0.1962R² = 0.9994

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20

힘

전류^2(A^2)

힘

선형 (힘)

실험3-1 그래프1 (error bar_표준오차)

y = 0.9423x - 0.1962R² = 0.9994

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 5 10 15 20

힘

전류^2(A^2)

실험3-1 그래프2 (error bar_3%)

• 페러데이 법칙에 따라솔레노이드의 흐르는 전류와 고리의유도기전력이 비례하는 것을 볼 수 있었다.

실험 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘 전류 힘

1회 3.883 5.2 3.592 4.6 3.16 3.37 2.725 2.48 2.546 2.17 2.228 1.65 1.805 1.05 1.355 0.55 1.045 0.3 0.703 0.13

2회 5.2 4.5 3.38 2.51 2.18 1.65 1.05 0.55 0.31 0.13

3회 5.13 4.45 3.35 2.49 2.17 1.65 1.05 0.55 0.31 0.12

4회 5.1 4.33 3.3 2.48 2.15 1.65 1.05 0.55 0.3 0.13

5회 4.93 4.28 3.31 2.48 2.15 1.65 1.04 0.55 0.3 0.13

평균 5.112 4.432 3.342 2.488 2.164 1.65 1.048 0.55 0.304 0.128

표준편차 0.040447 0.047145 0.013013 0.004761 0.004899 0 0.001633 0 0.002 0.001633

고리

두께 (cm) 1

L 0.27

y = 0.3448x - 0.0684R² = 0.9998

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

힘

전류^2(A^2)

힘

선형 (힘)

실험3-2 그래프1 (error bar_표준오차)

y = 0.3448x - 0.0684R² = 0.9998

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

힘

전류^2(A^2)

실험3-2 그래프2 (error bar_3%)

y = 4.1899x - 0.0402R² = 0.9998

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4

자기장(mT)

전류(A)

자기장

선형 (자기장)

실험4그래프1 (error bar_표준오차)

y = 4.1899x - 0.0402R² = 0.9998

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 1 2 3 4

자기장(mT)

전류(A)

실험4그래프2 (error bar_3%)

실험 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

전류자기장(mT

)전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장 전류 자기장

1회 3.711 15.4 3.379 14.1 2.96 12.4 2.437 10.2 2.015 8.5 1.695 7.1 1.456 6.1 1.24 5.2 0.92 3.8 0.565 2.2

2회 15.5 14.1 12.4 10.2 8.5 7.1 6.1 5.2 3.8 2.2

3회 15.4 14.1 12.4 10.2 8.5 7.1 6.1 5.2 3.8 2.2

4회 15.4 14.1 12.4 10.2 8.5 7.1 6.1 5.2 3.8 2.2

5회 15.4 14 12.4 10.2 8.5 7.1 6.1 5.2 3.7 2.2

평균 15.42 14.08 12.4 10.2 8.5 7.1 6.1 5.2 3.78 2.2

표준편차 0.01633 0.01633 0 0 0 0 0 0 0.01633 0

1. 금속고리

2. 코일

• 금속고리에 작용하는 힘이 솔레노이드에 흐르는 전류의제곱값에 비례한다.

• 금속고리보다 L값이 약 30배 큰 코일고리로 실험을 했을때 코일고리에 작용하는 힘의 크기가 약 35%로 줄어든다.

금속고리의 추진력은 솔레노이드에 흐르는 전류, 그리고 고리의 인덕턴스 값에 의존한다.

Ⅲ 솔레노이드 전류와금속고리에 작용하는 힘

• 로렌츠 힘의 원리를 생각했을 때 전류가 증가할 때고리에 작용하는 힘의 세기가 커짐을 알 수 있다.

• 솔레노이드에 가한 전류가 증가할 때 고리의 자기장이증가한다.

• 솔레노이드에 생기는 자기장과 고리에 흐르는전류의 위상차가 𝜋에 근접한 값을 보인다.

솔레노이드와 고리에 흐르는 전류가 서로 반대방향이기 때문에 척력이 작용하여 고리가발사되는 것을 알 수 있다.

전류 1.08A 시간차 0.001

전류 0.96A 시간차 0.0012전류 0.84A 시간차 0.0009전류 0.5A 시간차 0.0016전류 0.46A 시간차 0.00171 주차• 스위치 제작 및

코일 감는 연습

4 주차• 실험 진행

2~3 주차• 코일 감은 수 확정 및

링 런쳐 제작

5~6 주차• 발사실행 및 디자인ㄹ

위상차 = 180 - (0.001/0.016)*180 = 약 169.4˚