패러데이의 얼음 통 실험

Faraday's ice pail experiment
실험에 사용된 기구 패러데이: 금속 통(A)을 나무 걸상(B)에 받쳐 지면에서 절연시킨다. 정전기가 충전된 금속 볼(C)은 비전도성 실크 실의 통에 넣어 내릴 수 있다. 전하의 민감성 검출기인 금잎 전기경계(E)가 통 바깥쪽에 와이어로 부착돼 있다. 충전된 볼을 만지지 않고 양동이에 내리면 전기 스코프가 전하를 등록해 정전기 유도에 의해 금속 용기의 전하를 유도한다는 것을 알 수 있다. 양동이의 안쪽 표면에 반대 전하가 유도된다.

패러데이의 얼음 통 실험은 1843년 영국의 과학자 마이클 패러데이가[1][2] 수행한 간단한 전기식 실험으로 전도 용기에 대한 정전기 유도의 효과를 보여준다. 패러데이는 용기의 경우 얼음을 담기 위해 만든 금속 통을 사용했는데, 이 통은 실험에 이름을 붙였다.[3] 실험 결과 전도성 쉘 안에 밀폐된 전하가 쉘에 동일한 전하를 유도하고, 전기 전도체에서는 전하가 온전히 표면에 존재한다는 것을 알 수 있다.[4][5] 그것은 또한 패러데이 케이지에서 사용되는 것과 같은 전자기 차폐의 원리를 보여준다.[6][7] 얼음 통 실험은 정전기에 대한 최초의 정밀한 정량 실험이었다.[8] 그것은 오늘날에도 전기학의 원리를 가르치기 위해 강의 시연과 물리학 실험실 강좌에서 사용되고 있다.[9]

실험 설명

패러데이가 1843년 2월 4일에 쓴 편지에서 철학적 저널의 편집자 리처드 필립스에게 이 실험에 대한 설명은 1844년 3월호에 다음과 같다.[1][10]

"도표 속의 A는 섬세한 금잎 전자계 E에 철사로 연결된 절연된 페테르 아이스 페일을 나타내며, C는 아래 아이스 페일에서 그것을 잡는 손의 영향을 제거하기 위해 3, 4피트의 흰 실크로 절연된 둥근 황동공이 되도록 하라. A를 완벽하게 방전시킨 다음, C를 [정전기] 기계나 레이든 항아리에 의해 먼 곳에 충전시켜 A에 도입한다. C가 긍정적이면 E도 긍정적으로 갈 것이고, C가 빼앗기면 E도 완벽하게 무너질 것이다... C가 혈관 A에 들어갈 때 E의 분비는 C가 혈관 가장자리 ... 아래에 있을 때까지 증가하며, 더 큰 우울증에도 불구하고 상당히 안정적이고 변하지 않을 것이다. 이것은 그 거리에서 C의 유도 작용이 전적으로 A의 내부에 작용한다는 것을 보여준다. C가 A의 바닥에 닿도록 만들면 모든 충전물이 A, ...에게 전달되고, C는 인출과 동시에 ...가 완벽하게 방전되는 것으로 밝혀진다."

다음은 실험 절차에 대한 상세한 현대적 설명이다.[3][4][6][9][11]

  1. 그 실험은 위에서 열린 전도성 금속 용기 A를 지상에서 절연하여 사용한다. 패러데이는 나무 걸상에 지름 7인치, 높이 10.5인치(B)[1]의 페테르 통을 사용했지만, 현대 시위는 흔히 상부에 구멍이 뚫린 속이 빈 금속 구체,[10] 즉 절연 스탠드에 장착된 금속 스크린 원통을 사용한다.[9][12] 그것의 외부 표면은 민감한 전기 충전 감지기에 와이어로 연결되어 있다. 패러데이는 금잎 전기 스코프를 사용했지만 현대의 시연은 전기 스코프보다 훨씬 민감하고 양전하를 구별할 수 있으며 정량적 판독을 할 수 있기 때문에 현대 전기계를[9] 사용하는 경우가 많다.[13] 용기는 접지(지구)라고 불리는 큰 전도체에 잠깐 연결하면 배출된다. 이는 전도성 인체를 지면으로 사용하여 손가락으로 만지면 된다. 초기 충전은 땅속으로 빠진다. 충전 감지기는 0으로 표시되어 용기에 전하가 없음을 나타낸다.
  2. 한 금속 물체 C(패러데이지만 현대의 실험은 가끔 조그만 금속 공이나 디스크 절연 handle[4]에 장착하게 사용하고 있는 놋쇠 공nonconductive 실크 thread,[1]에 매달리곤 했다.)전기 정전 기계를 사용하고 컨테이너로 그것을 만지지 않고를 낮추었다. 그것이 충전 검출기의 독서 i.이 인하되면 부과된다ncreases. 용기의 외부가 충전되고 있음을 나타냄. 물체가 용기의 립에 잘 들어가면, 물체가 더 낮아지더라도 충전 감지기는 수평을 유지하고 일정한 전하를 등록한다. 용기 바깥쪽의 전하가 물체의 전하와 같은 극성이다. 충전 감지기가 용기 내부 표면에 닿으면 반대 극성으로 충전되는 것으로 확인된다. 예를 들어 물체 C가 양전하를 띠면 용기 A의 외부는 양전하를 띠는 반면 용기 내부는 음전하를 띠게 된다.
  3. 벽면에 닿지 않고 C 물체가 용기 안쪽으로 이동하면 충전 감지기의 판독값이 변경되지 않아 용기 바깥쪽의 전하가 용기 안쪽에 있는 위치에 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
  4. 충전된 물체 C가 다시 용기 밖으로 들어올리면 충전 감지기는 다시 0으로 감소한다. 이는 컨테이너에 부과된 전하가 C에 의해 유도되었고, 컨테이너에는 순전하가 없음을 보여준다. 따라서 내부와 외부에 유도되는 반대 전하의 크기는 같아야 한다.
  5. 충전된 물체 C는 용기 안쪽에 닿는다. 충전 검출기 판독값은 변경되지 않는다. 그러나 현재 물체가 용기에서 인출된 경우 판독값은 그대로 유지되며, 이는 용기에 순전하가 있음을 나타낸다. 이후 이 물체를 충전감지기(charge detector)로 테스트하면 완전히 충전되지 않은 것으로 확인되며, 용기 내부도 충전되지 않은 것으로 확인된다. 이는 C의 모든 전하가 용기에 전달되었고, 용기 내부 표면의 반대 전하를 정확히 중화시켜 외부에만 전하가 남아 있음을 나타낸다. 그래서 용기 내부의 전하와 C의 전하와 정확히 동일했다.

키트는 학생들이 실험을 수행하는 데 필요한 모든 장비를 갖춘 교육용 공급 업체에서[13] 구할 수 있다.

유격 전하로 인한 오류 방지

실험자의 신체, 옷, 또는 주변 기구에 대한 표류 정전기 전하와 주전원 장비의 AC 전기장은 용기 일부 또는 충전된 물체 C에 추가 전하를 유도하여 잘못된 판독을 할 수 있다. 실험의 성공에는 종종 다음과 같은 불필요한 전하를 제거하기 위한 예방조치가 필요하다.

  • 용기 및 근처의 전도성 물체에 대한 모든 전하를 접지(접지)하여 실험 전에 제거해야 하며, 접지라고 하는 큰 전도성 물체에 짧게 접촉해야 한다. 그 물체에 대한 어떤 전하도 상호 반발로 인해 땅으로 흘러 들어갈 것이다. 이것은 전도성 인체를 지면으로 사용하여 손가락으로 만짐으로써 이루어질 수 있다. 그러나 실험자의 신체 자체는 금속 작업대와 같은 양호한 금속 지반 또는 가급적 건물의 주 전원 배선의 수도관이나 접지선을 만져서 자주 접지되어야 한다.[14] 이상적으로는 실험자의 신체를 실험 내내 접지시켜야 한다.[13] 일부 실증 키트에는 장비 아래 작업대에 놓여 있는 전도성 접지판과 실험자가 실험 중에 착용하는 항정전기 손목끈 등이 들어 있어 좋은 지면과 연결된다.
  • 전자계측기는 접지에 대한 전하를 측정하므로 사용 중 접지에 연결해야 한다.[13] 그것은 보통 검은색으로 칠해진 접지선을 가지고 있으며, 사용 중 금속 지면에 부착되어야 하는 클립으로 끝을 맺는다.
  • 실험자는 실험 중 과도한 움직임을 피해야 한다.[13] 걸어다니거나 팔을 흔드는 것은 옷에 정적인 전하가 쌓이는 원인이 될 수 있다. 실험자는 충전된 물체 C의 핸들을 물체에서 가능한 멀리 떨어져 있어야 하며, 물체를 용기 안으로 내릴 때 가능한 멀리 떨어져 있어야 한다.
  • 전문 학생 실험실 키트에서 A 컨테이너는 종종 맨 위에 열려 있는 두 개의 동심원 원통 형태의 금속 스크린이다.[15] 스크린은 구멍이 작은 한 정전기용 고체 금속판과 같은 역할을 한다. 내부 실린더는 외부 실린더와 절연 지지대가 있는 외부 실린더에서 분리되는 패러데이 파이 용기 자체다. 바깥쪽 원통형 금속 스크린은 내부를 감싸고 있으며, 이 스크린을 표류 전하를 막아주는 지반 역할을 한다. 이 설계는 실험자가 용기 내부를 볼 수 있을 뿐만 아니라 주로 유격 충전 문제를 제거한다. 전기계 접지 리드는 외부 접지 스크린에 잘리고, 실험자는 어떤 절차를 수행하는 동안 이 스크린을 터치한다. 내부 화면을 접지하기 위해 실험자는 내부 화면과 외부 화면 사이에 손가락을 끼울 수 있다. 이 작업을 할 때는 안쪽 화면에 전하를 남기지 않도록 바깥쪽이 아닌 안쪽 화면에서 먼저 손가락을 드는 것이 중요하다.[16]
  • 지문의 먼지와 오일의 표면 층으로 인해 충전된 물체 C와 손잡이와 지지대를 따라 용기에서 충전이 새어 나올 수 있다.[13] 의심스러운 경우, 장비를 세제로 세척하여 오일을 제거하고 건조시켜야 한다.
  • 용기 내부 또는 외부 표면에서 전하를 측정할 때, 충전 감지기는 용기 립 근처 표면에 닿지 않아야 한다. 추가 전하가 금속의 기하학적 구조로 인해 개구부 가장자리 부근에 집중된다.

설명

충전된 볼이 용기(A,B)에 내려질 때 전기장 라인 그리기 충전량이 충분히 내부(C)에 도달하면 모든 전기장 라인이 용기 내부에서 종료되어 거기서 동등한 충전을 유도한다. 볼이 용기 안쪽(D)에 닿으면 모든 전하가 통으로 이동한다.

전도성 금속 물체에는 금속 안에서 자유롭게 움직일 수 있는 이동 전기 전하(전자기)가 들어 있다.[17] 충전되지 않은 상태에서는 금속의 각 부품에 양전하와 음전하가 동일한 양이 들어 있어 밀접하게 혼합되므로 순전하를 가진 부품은 없다. 외부 충전 물체가 금속 조각 근처에 있는 경우, 전하의 힘으로 인해 이러한 내부 전하가 분리된다.[9][18] 외부 전하와 반대 극성의 전하가 그것에 끌리고, 전하를 마주한 물체의 표면으로 이동한다. 동일한 극성의 전하가 제거되고 전하를 벗어나 금속 표면으로 이동한다. 이것을 정전기 유도라고 한다. 위의 절차 2에서 충전 C가 용기에 내려질 때 용기의 금속에서 전하는 분리된다. C가 양전하를 가지면 금속의 음전하가 거기에 끌려서 용기의 내부 표면으로 이동하는 반면 양전하를 밀어내고 외부 표면으로 이동한다. C가 음전하를 가지면 전하가 반대 극성을 갖는다. 컨테이너가 원래 충전되지 않은 상태였기 때문에, 두 지역은 동일한 전하와 정반대의 전하를 가지고 있다. 유도 과정은 되돌릴 수 있다: 절차 4에서 C가 제거되면 반대 전하의 매력으로 인해 다시 서로 맞물리게 되고 표면의 전하가 0으로 감소한다.

이동 전하를 이동하게 하는 것은 충전된 물체 C의 정전기장이다. 금속의 전하가 분리됨에 따라 금속 용기 표면에 유도된 전하 영역은 자체 정전기장을 생성하며, 이는 C의 전지와 반대되는 영역이다.[9] 유도 전하의 장은 금속 내부 전체에 걸쳐 C의 전지를 정확하게 취소한다.[18] 금속 조각 안의 정전기장은 항상 0이다. 그렇지 않다면 전기장이 0이 될 때까지 전기장의 힘은 더 많은 전하 움직임과 더 많은 전하 분리를 야기할 것이다. 일단 C가 용기에 잘 들어가면, C에서 나오는 거의 모든 전기장 라인이 용기 표면을 타격한다.[11] 그 결과(아래에서 프로포즈됨)는 용기 내부에 유도된 총 전하량이 C의 전하와 같다는 것이다.

절차 5에서 C가 용기 내벽에 닿으면 C에 대한 모든 전하가 밖으로 흘러나와 유도 전하를 중화시켜 내벽과 C가 모두 충전되지 않게 된다. 컨테이너는 외부에 충전된 채로 남겨져 있다. 순효과는 이전에 C에 걸렸던 모든 전하가 이제 용기 외부에 있다는 것이다.

이것에서 도출할 수 있는 중요한 결론은 충전된 물체를 넣어도 닫힌 전도 용기 내부의 순전하가 항상 0이라는 것이다.[4] 내부의 전하가 용기벽에 대한 전도 경로를 찾을 수 있을 경우 상호 반발로 용기의 외부 표면으로 흐르게 된다. 그렇지 못할 경우 내부 전하가 내부 표면에 동일하고 반대되는 전하를 유도하므로 내부의 순 전하가 여전히 0이다. 전도 물체에 대한 순 전하가 그 표면에 위치한다.

입증 유도 전하가 물체의 전하와 동일함

가우스 표면 S(녹색)

절차 5에서 발견한 결과는 금속 용기에 동봉된 충전 물체가 용기에 동일한 충전을 유도한다는 것으로 가우스의 법칙을 사용하여 증명할 수 있다.[7][9][19] 컨테이너 A가 개구부 없이 물체 C를 완전히 감싸고 있다고 가정한다(이 가정은 아래에 설명되어 있다). 그리고 C는 Q 쿨롬을 충전한다고 가정한다. 전하 C의 전기장은 금속 부피의 전하를 분리하여 쉘의 내부와 외부 표면에 유도된 전하 영역을 생성한다. 이제 껍질의 금속 안에서 내부와 외부 표면 사이에 닫힌 표면 S를 상상해 보십시오. S는 전기장이 0인 전도 영역(금속 부피 내부)에 있으므로, 표면 S의 모든 곳에 있는 전기장은 0이다. 따라서 표면 S를 통과하는 총 전력은 0이어야 한다. 따라서 가우스의 법칙에서 표면 S 내부의 총 전하가 0이어야 한다.

S 내부의 전하로는 물체 C의 전하 Q와 금속의 내부 표면의 유도 전하 Q가induced 유일하다. 이 두 전하의 합이 0이므로, 쉘의 내부 표면의 유도 전하가 C: Qinduced = -Q의 전하와 동일하지만 반대 값을 가져야 한다.

전기장 라인을 이용한 설명

밀폐된 전하가 용기에 동일한 전하를 유도하는 또 다른 방법은 전기장 라인의 시각화 장치를 사용하는 것이다.[11] 전기장 라인은 동일한 전하로 종료된다. 즉, 각 라인은 특정 양의 양의 양의 전하에서 시작하여 동일한 양의 음의 전하로 종료된다.[7] 또 다른 필요한 사실은 전기장 라인이 도체를 관통할 수 없다는 것이다; 만일 전기장 라인이 금속의 부피에 침투한다면, 금속의 전자는 필드 라인을 따라 흐를 것이고, 전장이 남지 않을 때까지 도체의 전하를 재분배할 것이다. 도체 내 전기장이 0일 때만 도체 내 전하가 정전 평형을 이룰 수 있다.

충전된 물체 C가 전도성 용기 A 안에 들어 있을 때, 물체에서 확장되는 모든 필드 라인은 컨테이너의 내부 표면에서 종료되어야 한다. 다른 곳으로 갈 곳이 없다.[11][20] 물체의 각 충전 단위는 용기의 동일한 유도 충전으로 끝나는 필드 라인을 생성하므로, 물체의 총 충전량과 용기 내부의 유도 충전량은 같아야 한다.

컨테이너 외부에 충전된 물체는 또한 주변 환경에 동일한 충전을 유발한다.[12][21] 그것으로부터 확장된 필드 라인은 벽이나 방의 다른 물체에서 유도된 전하로 끝난다. 이것은 모든 양의 전하를 위해 우주 어딘가에 상응하는 음의 전하가 있어야 한다는 일반적인 원리를 보여준다.

구멍의 효과

엄밀히 말하면 용기의 유도 충전이 물체의 전하와 정확히 같기 위해서는 금속 용기가 구멍 없이 충전된 물체를 완전히 둘러싸야 한다.[12] 개구부가 있을 경우 C에서 나오는 전기장 라인 중 일부가 개구부를 통과하므로 컨테이너에서 반대 전하를 유도하지 않기 때문에 컨테이너 표면의 전하가 C에서의 전하보다 적다. 그러나 충전된 물체를 출입시키기 위해서는 개방이 필요하다. 그의 실험에서 패러데이는 공을 매달고 있는 실에 통의 금속 뚜껑을 붙여 개구부를 닫았기 때문에, 공이 용기 중앙으로 내려갈 때 뚜껑이 개구부를 덮었다.[1][3] 그러나 이것은 필요하지 않다. 이 실험은 패러데이의 양동이처럼 덮이지 않은 개구부가 큰 컨테이너에도 매우 효과적이다. 충분히 깊으며 용기 내부의 C 깊이가 개구부의 직경보다 큰 한 유도 전하가 C의 전하와 매우 가까운 값이 된다.[12] 위 도면에서 알 수 있듯이 일단 충전된 물체가 잘 안쪽으로 들어가면 충전 C에서 발원하는 전기장 라인은 대부분 컨테이너 벽에서 끝나기 때문에 극히 소수의 전기장 라인이 개구부를 통과하여 컨테이너에 위치하지 않는 음전하로 끝난다. 저명한 초기 전기 연구자인 존 암브로즈 플레밍은 1911년에 다음과 같이 썼다.[3]

. . 아직 모든 전기적 목적으로 '폐쇄 도체'로 남아 있는 용기에 얼마나 큰 구멍이 만들어질 수 있는지 궁금하다.

그러나 위의 절에서와 같이 컨테이너에 구멍이 없다고 가정하여 실험을 설명하는 경우가 많다.

정전기차폐

금속의 간섭 부피에는 전기장이 없기 때문에 용기의 외부 표면과 그 전기장의 전하 분포는 용기 내부의 전하량에 전혀 영향을 받지 않는다.[9][11] 절차 3과 같이 용기 내부에 충전된 물체를 이동시킬 경우, 내부 표면의 유도된 전하 분포가 자체 재분산되어 내부 표면 외부의 전기장의 취소를 유지한다. 따라서 외부 표면의 전하들은 외부 세계의 어떤 전하와 함께 전혀 영향을 받지 않을 것이다. 외부에서 보면 금속 용기는 단순히 표면 전하 +Q를 가진 것과 똑같이 작용하며, 내부에 전하가 없다. 마찬가지로 외부 전하를 외부에서 용기 가까이 가져온 경우 외부 표면의 유도 전하 분포가 재분배되어 용기 내부의 전기장을 취소한다. 그래서 용기 안의 전하가 어떤 전기장을 "감지"하지 않고 변하지 않을 것이다. 요약하면 용기 내외부는 전기적으로 격리되어 있어 한 지역의 전기장이 다른 지역에 침투하거나 영향을 줄 수 없다. 이것은 패러데이 케이지에서 사용되는 정전기 차폐의 원리다.

추가 실험

대체 절차

실험을 수행하는 다른 방법:[3][21] 절차 2에서 충전된 물체 C를 용기에 내린 후 용기의 외부 표면이 순간적으로 접지된다. 용기 바깥쪽의 전하가 모두 지면으로 배수되며, 충전 감지기는 0으로 감소하여 용기 안쪽의 전하가 C의 전하와 동일하지만 반대인 상태로 남는다. 그러면 C 물체가 용기에서 제거된다. C는 더 이상 용기 내부 표면에 유도 전하를 고정할 수 없으므로 용기 외부로 이동한다. 따라서 충전 감지기는 이전 판독값과 동일하지만 반대되는 전하를 등록한다. 이 새로운 전하가 용기 외부 표면에 C를 접촉함으로써 C의 전하와 동일하고 반대임을 증명할 수 있다. 두 개의 전하가 정확히 서로를 중화시켜 용기의 외관과 C가 모두 충전되지 않은 것으로 밝혀졌다.

비접촉 충전량 측정

물체를 패러데이 용기에 담는 것은 물체를 만지거나 물체를 방해하지 않고 물체의 충전량을 측정할 수 있는 방법을 제공한다. 용기 내부의 전하에 의해 용기 외부에 유도되는 전력은 용기 내부의 총 전하에 따라 달라진다.[12][22] 여러 개의 충전된 물체가 용기 안으로 내려갈 경우, 외부의 충전량은 그 총량과 같을 것이다.

과금추가

전도성 충전물 여러 개를 차례로 용기에 내려놓고 안쪽으로 터치하면 이미 용기에 충전된 물체가 얼마가 들어 있는지와 관계없이 각 물체의 모든 충전이 용기 바깥쪽으로 전달된다.[7][22] 전도성 충전 물체 두 개가 단순히 외부 표면에서 서로 접촉하는 경우, 양쪽의 전하가 두 물체 사이에서 공유될 뿐이다.[4]

이것이 Van de Graaff 발전기의 상단 단자에 전하가 전달되는 방법이다.[4][7] 단자는 속이 빈 금속 껍데기로 패러데이 통의 기능을 한다. 충전물은 움직이는 벨트로 그 안에서 운반된 다음, 단자 내부에 부착된 와이어에 의해 벨트에서 제거된다. 단자 내부는 일정한 전위에 있기 때문에 벨트에서 나오는 전하가 외부 표면으로 흐르면서 이미 단자에 얼마나 많은 전하가 있는가에 관계없이 거기에 전하를 더한다.

접촉 전기화는 동일한 전하를 생성함

패러데이 통의 "충전 합계" 특성은 물체를 문지르거나 서로 만져서 충전하는 전기화(트리보전) 접촉이 동등하고 반대되는 전하를 발생시킨다는 것을 증명하는 데 사용될 수 있다. 모피 한 조각과 고무 또는 플라스틱 한 조각이 먼저 방전되어 전하가 없는 다음, 둘 다 비전도성 손잡이에 부착된 용기에 함께 내려진다. 충전 감지기는 무전하를 기록한다. 그리고 나서 그것들은 용기 안에서 함께 문질러진다. 문지르면 모피가 양전하 되고, 삼전효과로 고무가 음전하 된다. 그러나 이는 동일한 전하의 분리에 기인하기 때문에 두 전하가 동일하고 정반대여서 두 물체에 대한 전하의 합은 여전히 0이다. 이는 충전 감지기에 의해 입증되며, 이 검출기는 작동 후에도 계속 0으로 판독된다. 개별 물체에 대한 전하들은 컨테이너에서 한 번에 하나씩 제거함으로써 증명될 수 있다. 충전 감지기는 남은 물체 각각에 대해 반대 전하를 기록한다.

여러 개의 동심 용기

패러데이는 또 1844년 논문에서 여러 개의 전도용기를 다른 안에 한 개씩 넣어 사용했을 때의 효과를 조사했다.[1] 그는 유도 효과가 하나의 컨테이너를 통해 작용하는 것과 같은 방식으로 여러 컨테이너를 통해 작용한다는 것을 발견했다. 그는 네 개의 통을 사용했는데, 각각은 다음 안에 있는 비전도성 패드에 받쳐져 있었다. 가장 안쪽 통에 전하를 낮추면 정확히 동일한 유도 전하가 외통 바깥쪽에 나타난다. 각 양동이의 바깥쪽 전하가 다음 양동이에 동일한 전하를 유도한다. 한 통이 접지되면 그 밖에 있는 모든 통에 대한 전하가 0이 된다.

참조

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