전자기력을 이용한 물체의 미소변형 측정을 위한 마이켈슨 간섭계 시스템 개발 :A development of the Michelson interferometer system for measuring micro-deformation of a body by using electromagnetic force

노재준

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자료유형: 학위논문

저자정보: 노재준 (한국교원대학교, 한국교원대학교 대학원)

지도교수: 김중복

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

전자기력을 이용한 물체의 미소변형 측정을 위한 마이켈슨 간섭계 시스템 개발

노재준 2020.01 학위논문

마이켈슨 간섭계와 전자석을 이용하여 정지마찰력이 작용하는 물체의 미소변형분석

노재준 , 김중복 현장과학교육 2020.01 학술저널

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이 연구의 목적은 자동화된 전자기력을 이용하여 물체의 미소변형을 측정하는 마이켈슨 간섭계 장치를 개발하는 데 있다. 전자기력을 이용하여 실험대상의 미소변형을 일으키고 이 변화를 측정할 수 있는 마이켈슨 간섭계를 결합시켜서 간섭무늬의 변화를 광센서로 측정하였다. MBL(Microcomputer Based Laboratory) 장비를 이용하여 물체에 외력을 가할 수 있는 전자석을 제어하고, 물체의 변형에 따른 간섭 신호를 측정할 수 있도록 하여 전 과정을 컴퓨터 프로그램을 통하여 이루어 지도록 하였다. 즉, 전자석의 제어와 간섭무늬변화를 측정하는 광센서, 힘의 크기를 측정하는 힘센서는 MBL(Microcomputer Based Laboratory) 장비로 동시에 작동하도록 구성하였다. 이 시스템을 이용하여 정지해 있는 물체에 최대정지마찰력보다 작은 힘을 가했을 때 미세한 움직임을 측정하였다. 그리고 단면이 직육면체인 기다란 막대시료의 Young률을 측정할 수 있게 구성하여 철, 구리, 황동의 Young률을 측정하였다. 첫 번째 연구는 정지한 물체에 힘을 가하는 경우 미세한 변형을 측정한 것이다. 정지한 물체에 최대정지마찰력보다 작은 힘이 가해질 때 물체는 움직이지 않지만 물체에는 미세한 변형이 생기는데, 이러한 미소 변형을 마이켈슨 간섭계를 이용하여 측정하였다. 물체에 마이켈슨 간섭계용 거울 하나를 부착하고, 전자석을 이용하여 서서히 증가하는 힘을 작용하였더니 최대정지마찰력보다 작은 힘이 작용하는 구간에서 간섭무늬가 변화하였다. 우리는 이 장치를 이용하여 외력에 따른 변형의 정도를 측정하였으며 또한 최대정지마찰력을 측정할 수 있었다. 딱딱한 재질의 물체(아크릴)과 부드러운 재질(코르크)로 만들어진 물체를 대상으로 실험한 결과, 아크릴의 정지마찰계수는 0.20+-0.01이고, 코르크의 정지마찰계수는 0.47+-0.01로 측정되었다. 물체들이 미끄러지기 전에 재질에 관계없이 힘의 크기가 작은 영역에서는 미소변형이 힘에 비례하는 결과를 보여 주었지만, 힘이 커질수록 아크릴의 경우에는 계속 비례하였지만 코르크의 경우에는 비선형적으로 변화하는 영역이 존재하다가 미끄러졌다. 이는 변형이 잘 되는 재질의 특성과 연관이 있다. 두 번째 연구는 휨을 이용하여 Young률을 측정하였다. 전자석을 이용하여 물체를 휘게 만들었고, 이 휨을 마이켈슨 간섭계로 측정하였다. 간섭계용 거울 하나를 시료 걸쇠에 연결하여 그 부분의 변형을 측정할 수 있도록 제작하였다. 측정된 Young률 값은 철 (2.27+-0.02)*10^11 N/m^2, 구리 (1.09+-0.01)*10^11 N/m^2 , 황동 (0.98+-0.01)*10^11 N/m^2 이었다. 이들 값은 기존에 알려진 값들과 유사하였다. 또한, 힘에 따른 변형이 선형적이었는데 이는 마찰력 실험에서 작은 힘이 작용할 때 변형이 선형적인 것과 같은 결과이다. 개발된 Young률 측정 장치는 광학적 방법을 적용하기 때문에 정밀도가 크게 향상되었으며, 아주 작은 힘으로도 Young률을 측정할 수 있는 장점을 가지고 있다. 전자기력을 이용하여 물체에 힘을 작용하고 이때 일어나는 변형을 마이켈슨 간섭계로 측정하는 장치를 개발하였다. 마찰력이 작용하는 구간에 대하여 미소변형을 관측하였고, 더 나아가 물체의 Young률도 정밀도를 높여서 측정하였다. 대학교 일반물리학 실험과정에 적용될 수 있고, 재료역학에서 Young률을 측정하는 도구로 활용될 것으로 기대한다.

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구의 필요성 및 목적 2
2. 연구 문제 6
3. 연구의 구성 7
Ⅱ. 이론적 배경 9
1. 마이켈슨 간섭계(Michelson Interferometer) 9
가. 두 빛의 간섭 10
나. 마이켈슨 간섭계 14
2. 마찰력(Friction) 18
가. 마찰력의 역사 18
나. 마찰력 20
다. 접촉면의 변형 21
3. 물체의 변형 23
가. 물체의 Young률(Young''s modulus) 23
나. 휨에 의한 Young률 측정 24
Ⅲ. 연구 방법 34
1. 물체의 미소변형 측정을 위한 실험장치 개발 34
가. 실험장치의 설계 및 설치 방법 34
나. 데이터 분석 방법 38
2. 마이켈슨 간섭계와 전자석을 이용하여 정지마찰력이 작용하는 물체의 미소변형 분석 39
가. 실험설계 및 방법 39
나. 데이터 분석 방법 43
3. 마이켈슨 간섭계와 전자석을 이용한 Young률 측정실험 44
가. 기존 실험 장치 44
나. 실험설계 및 방법 46
다. 데이터 분석 방법 51
라. 기존 실험과의 비교 53
Ⅳ. 연구결과 및 논의 54
1. 마이켈슨 간섭계와 전자석을 이용하여 정지마찰력이 작용하는 물체의 미소변형 분석 54
가. 실험결과 54
나. 논의 57
2. 마이켈슨 간섭계와 전자석을 이용한 Young률 측정실험 59
가. 실험결과 59
나. 논의 68
Ⅴ. 결론 및 제언 71
참고문헌 75
ABSTRACT 79

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