목 적 : R-C회로에서 스위치를 닫아두었다가 열 때, C에서 방전되는 모습을 눈으로 본다.
준비물 : 건전지, 전구(R), 용량이 아주 큰 축전기, 스위치, 연결 도선.
방 법 : 오른쪽 그림과 같이 회로를 구성하고 스위치를 a 쪽으로 연결했다가 잠시 후, 스위치를 b쪽으로 연결해보자. 전구(R)의 불의 밝기는 시간에 따라 어떻게 변하는가?
결 과 : 처음에는 불의 밝기가 밝다가 시간이 지남에 따라 점점 어두워 져서 불이 꺼진다.
원 리
① 충전될 때 : 회로의 전지에서 시작하여 시계방향으로 돌며 회로법칙을 적용해 보면
이고
로 쓸 수 있다. 또
이므로
--(eq1) 을 얻는다. 이식은 축전기에 있는 전하 q의 시간에 대한 변화를 결정하는 미분방정식이다. t=0일 때 q=0이라는 초기조건을 주어 이 방정식을 풀면
가 되고, t=0일 때 q=0이라는 초기조건을 만족한다.
② 방전될 때 : 스위치 S를 a에서 b로 바꾼 순간을 t=0이라고 하면, 이때부터 축전기 C는 저항(전구)R을 통해 방전한다. 이 회로에서는 앞의 것과 비교하면 기전력을 주는 전지가 없다는 것을 제외하고는 위의 (eq1)을 계속 쓸 수 있다. 이식에서 V=0으로 놓으면 --(eq2) 가 되고, t=0일 때 q=q0이라는 초기조건을 주어 이 미분방정식을 풀면 해는
이고 이식을 시간에 대해 미분하면
가 된다. 여기서 -부호는 충전할 때와는 전류가 반대방향으로 흐름을 의미한다. 따라서 전류가 시간에 따라 점점 감소하므로 전구의 밝기도 점점 어두워진다.