밀리칸의전기소량측정장치 ( Millikan lementay Chage Appaatus ) SG-9646 ( 주 ) 세계과학 본사 : 경기도성남시중원구상대원동 90- SK테크노파크테크센터8 Tel: 0-776-005 Fax: 0-776-009 Home page: http://www.sgs.co.k -mail: segye@sgs.co.k
밀리칸의전기소량측정장치 (SG-9646) 소개본제품은밀리칸의유적실험장치로서밀리칸의실험을기본원리로하여, 보다쉽게전기소량을측정할수있도록하였다. 분무기에의해분사된유적들은균일한전기장에노출되어전압의세기와전극의방향에따라운동이달라진다. 본제품은전기장의전압을쉽게변환가능하며, 전극의방향을전환할수있다. 또한할로겐램프를사용하여기름방울이잘보일수있도록하였다. 또한스케일을내장하여, 기름방울의운동을정확하게측정할수있도록하였다. 규격및구성 평행판전극 : 지름 55mm, 전극간격 7.4mm 현미경배율 : 5배 스케일 : 작은눈금 (0.mm), 큰눈금 0.5mm 4 광원 : 0W 할로겐램프 5 분사장치 6 A형스탠드 7 4V 광원용전원장치 8 High Volt DC 전원장치 (SG-800) 9 크기 : 00(W) 70(D) 0(H) mm 관련기기 High Volt DC POWR SUPPLY (SG-800) 디지털스톱워치 (SG-509), 디지털멀티미터 (CAT.8), 다용도카메라 (SG-500), 모니터 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
실험 : 밀리칸의전기소량측정실험. 목적 대전된기름방울을균일한전기장속에서운동시켜관찰된운동으로부터기름방울의전하를직접측정 하고, 측정한전하가기본전하의정수배라는사실로부터전자하나의전하를구한다.. 기본원리 897년수증기구름의전체전하에관한타운센드 (J.S.Townsend) 의실험과톰슨 (J.J.Thomson) 의음극선성질에관한실험이전자의전하에대한최초의간접적인측정실험으로알려져있다. 그후약 906년경부터밀리컨 (R.A.Millikan:868~95) 은전자전하에흥미를갖고수증기구름을이용하여간접적인측정을성공했다. 이전자의전하는전하의기본단위가되어, 지금껏발견된어떠한소립자이라도, 또는대전된원자나분자등도전하는이전자전하의정수배의값을갖는다. 이기름방울실험은그림에나타난것처럼전기장속에음으로대전된질량 m인기름방울을넣었을경우, 기름방울에작용하는여러종류의힘 ( 전기력, 중력, 부력, 저항력 ) 과의관계로부터전자전하를구하는직접적인측정법이다. 이기름방울에는중력 ( F ) 이아래방향으로, 또한공기에의한부력 ( g ) 이위쪽으로작용된다. 이둘에 의한아래방향으로의합력을기름방울의무게 ( ) 라할수있을것이다. 이무게를공기의밀도 ( ), s 기름방울의밀도 ( ), 그리고기름방울의반경 ( ) 으로나타내면다음과같다. a F w F b 4 = - = - () Fw Fg Fb pa ( s )g 그림 전기장하에서대전된기름방울의운동 기름방울이무게 ( F w ), 정전기력등의일정한힘을받아서운동을할때에는속력에비례하는저항력에 의해최종적으로는등속운동을하게된다. 이때기름방울의외부에서작용하는힘은저항력과비기게 된다. 공기중에서반경인구가받는저항력 ( ) 은다음과같이기름방울의종속도 (Teminal velocity : v) 와공기의점성계수 ( h ) 에비례한다. a F 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
F = 6phav () 즉외부에서기름방울에작용하는무게와정전기력등총힘은기름방울을운동시켜서종속도를측정함 으로써알수있게되는것이다. 그림 는기름방울로전하량을측정하는세가지절차를나타낸것이다. 전기장을걸어주는세가지상황 은각각다음식을만족한다. 세가지경우의종속도 v, v, v 0 + - 는모두크기로표시하여양의값으로계 산하자. 한편기름방울의대전전하량 q 는음의값이다. 그림 기름방울의전하량을측정하는절차. 하나의기름방울에대해다음세속력을측정한다. (a) 전위를걸어주지않을때기름방울은아래방향의종속도v 0 로내려간다. (b) 위전극에 -, 아래전극에 + 의위를걸어주면전자는아래방향으로정전기력이가세되어 (a) 의경우보다더빠른속도로내려간다. v + (c) (b) 와는반대방향으로전위를걸어주면위쪽으로정전기력을작용받아그힘이무게보다크면기름방울이위로 v - 의속도로올라간다. (5) Fw = 6phav () F - q = 6 nav (4) w p + Fw + q = -6phav - (4) 식 (5) 식의 F w 대신 () 식의우항을대입하면 6pha q =- ( v + - v ) (6) 6pha q =- ( v - + v ) (7) 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
4 q 값만을측정하기위해서는그림 의 (a) 와 (b) 혹은 (a) 와 (c) 의측정만하면된다. 한편기름방울의반 경 a 는식 () 과식 () 로부터구한다. 전체의데이터해석에서미리알고있어야할값은공기의밀도 s h ) 등이다. ( ), 기름방울의밀도 ( ), 공기의점성계수 ( q 전하는임의의양으로나타나는것이아니라, 기본전하또는전자의배수로나타난다. 밀리칸은나란한두개의수평판사이에크기와방향을조절할수있는전기장을걸고기름방울을 분무하여기본전하량 (= 전기소량 ) 을측정하는실험을하였다. 나란한수평판 (= 전극 ) 으로구성된전계조내에분무되는기름방울은분무기의방출구와의마찰에의 해대전된다. 두전극사이에전기장이작용하지않으면기름방울은자유낙하를한다. 공기의저항으 로인해속도는재빨리종속도가되기때문에이운동은균일할것이며, 기름방울의낙하속도는방울 의크기에의존할것이다. 양으로대전된방울은전기장이위쪽으로작용하면방울은크기와전하에의존해서결정되는일정한 속도로위방향으로운동한다. 만일방울의전하가변하면상향속도는변하지만하향속도는같은값 을유지할것이다. 전하의변화는우주선에의한주변공기의이온화에의해서수시로일어난다. 방울은운동을하는동 안에이들이온중의약간을붙잡는다. 공기의이온화는 x 선이나 g 선에의해서도유발된다. 기름방울의상하운동을반복해서관찰하고상하속도의변화를측정하면방울의전하변화 계산될것이다. 전하가감의성질에따라서 기름방울실험을다른방울에대해여러번되풀이하여 q ne e Dq 는때로는양, 어떤때는음일것이다. q e=.6077 0 D 의변화가기본전하의배수 - 9 즉D = 라는결론을내렸다. 의값은이다. C e Dq 가 m 을질량, 을기름방울의반지름이라고하면 기름방울에전기장을걸어주지않을때자유낙하종속도 v 은 F v = k = 6 p, F = mg kh mg v = 6ph () 정확히하려면 m=m-m a 를써서공기의부력을고려해야한다. m a : 공기의질량 기름방울이양전하를가지고있다면전기장을걸었을때상향합력은 F = q - mg 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
5 기름방울의종속도 v 는 v = F kh q - mg v = 6p h 6 ph ( v + v) q = 기름방울의전리가변함에따라상향속도에대응하는변화가생긴다고가정하면 Dq 와 사이에는 Dv 6ph D q = Dv 의관계가있다. 이식은측정가능한양으로되어있어 Dq 를계산할수있다. 특히기름방울의반지름은측정한과다음의조건을이용하여구할수있다. 여기서 : 기름방울의밀도이다. v m = = 4 p 9hv g 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
6. 실험기구밀리칸의전기소량측정장치디지털멀티미터스톱워치 4. 실험방법 밀리칸전기소량측정장치에 DC 전원공급기와램프전원을연결한다. 먼저초점조절용핀을전극의중앙에삽입하고, 램프전원을켠다. 현미경을통해내부를관찰하면서, 먼저스케일초점을조절한다. 다음뒤쪽초점조절나사를이용하여, 내부에삽입된핀이가장잘보이도록초점을조절한다. 또한램프의수평수직조절나사를사용하여, 삽입된핀이가장잘보이도록위치를조절한다. 4 초점조절용핀을제거하고, 기름방울뚜껑을장착한다. 전극외부뚜껑을닫고, 분사장치를이용하여 -회분사시킨다. 5 DC전원장치의전압을 00V정도로올린다. 6 현미경으로기름방울을관찰하면서, DC전원장치의극성을바꾸어가면서극성의변화에따라움직이는입자를찾는다. 대전된입자를발견하면, 기름방울개폐스위치를 Close상태로한다 ( 이는외부의공기흐름에대한오차를최대한줄이기위해서이다 ) 7 극성변환스위치를이용하여전계극성을변환시키면서입자들의운동을관찰하여라. 전계극성을바꾸면입자는더욱빨리혹은더욱느리게낙하하거나위쪽방향으로올라갈것이다. 입자의운동변화가적다면전계전압을더욱높이도록하여라. 0.mm 0.mm 8 이제전계조에분무된입자들중하나의낙하속도를초시계를이용하여여러번측정하여라. 이것은전계의극성을변환시키면서입자의운동을변화시키면서실시할수있다. 이런방식으로 0개정도의입자에대해반복실험을하여라. k g/ m 밀리컨오일의밀도 =886 공기의밀도 0 6 kg / m, 공기의점성계수 h =8. 0 - N s m, 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
7 < 스텐드조립순서 > 4 사진. 모니터를통해본기름방울 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
8 5. 결과 기름방울반경 9hv 9hv a = = ( s - ) g ( ) g 전기장 =886 V d = (d = 7.9mm) 6 kg / m, h =8. 0 - N s m, σ =0kg / m 전기장을걸어주지않았을때기름방울의속도 기름방울 거리(mm) 시간 (s) (mm/s) 4 5 6 7 8 9 0 v 전기장을걸어주었을때기름방울의속도기름방울거리(mm) 시간 (s) v (mm/s) 4 5 6 7 8 9 0 6ph D q = ( v + v) 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k
9 사용상주의사항. 외부전압계를사용할때에는 DC 400V 이상의 계기를사용하여야한다.. 고전압전원장치이므로사용시주의하여야한다.. 반복하여실험을할경우전계조를열어서내부를깨끗이 한후실험을시작하도록한다. 4. 실험을할때에는낮은전압부터시작하도록한다. 문의사항 문의사항이있으시면다음의연락처로문의하여주시기바랍니다. 본사 : 경기도성남시중원구 90- SK테크노파크테크센터 8 Tel: 0-776-005 Fax: 0-776-009 Home page: http://www.sgs. co.k -mail: segye@sgs.co.k 세계과학 Tel: 0-776-005 Homepage: http://www.sgs.co.k