MODUL 5 EFEK HALL Muhammad Ilham, Rizki, Moch. Arif Nurdin,Septia Eka Marsha Putra, Hanani, Robbi Hidayat. 10211078, 10210023, 10211003, 10211022, 10211051, 10211063. Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia E-mail:
[email protected] Asisten: (Heldi Alfiadi/10210004) Tanggal Praktikum: (14-11-2013) Abstrak Efek Hall merupakan kejadian dimana terdapatnya beda tegangan pada sebuah logam yang berada dalam medan magnet ketika diberikan arus pada logam tersebut yang tegak lurus dengan medannya. Prinsip dasar fisika yang mendasari fenomena ini ialah adanya gaya Lorentz yang bekerja pada muatan yang masuk kepada logam yang mempengaruhi pergerakan muatan tersebut. Pada praktikum yang dilakukan saat ini ialah menggunakan logam tungsten (wolfram) yang diletakan pada medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan yang diberi arus. Logam yang di aliri arus diletakan secara tegak lurus terhadap medan magnet. Potensial Hall yang terukur pada alat bernilai negatif dan dapat dijelaskan bahwa pembawa muatan yang bekerja ialah muatan elektron.
Kata Kunci : Efek Hall, Potensial Hall, Gaya Lorentz pada peristiwa tersebut dikenal sebagai Potensial Hall ( VH ).
I. Pendahuluan 1.1 Tujuan Tujuan dari praktikum ini ialah menentukan konstanta Hall (RH) suatu bahan dan memahami proses efek Hall pada suatu bahan. 1.2 Teori Dasar Efek Hall merupakan peristiwa dimana ketika arus listrik (I) mengalir pada sebuah bahan logam dan logam tersebut memliki medan magnet (B) yang tegak lurus dengan arus, maka pembawa muatan (charge carrier) yang bergerak pada logam tersebut akan mengalami pembelokan oleh medan magnet tersebut. Akibat dari proses itu akan terjadi penumpukan muatan pada sisi-sisi logam tersebut setelah beberapa saat. Penumpukan atau pengumpulan muatan tersebut dapat menyebabkan sisi tersebut menjadi lebih elektropositif ataupun elektronegatif bergantung pada pembawa muatannya. Perbedaan muatan di setiap sisi-sisinya mengakibatkan perbedaan potensial dikeduanya, beda potensial
Gambar 1. Efek Hall pada pembawa muatan negatif (a) dan pada pembawa muatan positif (b).
1
Pembelokan muatan dipengaruhi oleh Gaya Lorentz yang bekerja pada sistemnya dan dapat diketahui arah pembelkan tersebut dengan menggunakan kaidah tangan kanan. Persamaan Gaya Magnetnya dapat dituliskan sebagai berikut :
II. Metode Percobaan Percobaan dilakukan dengan memberi arus DC pada dua buah kumparan yang telah diletakan sedemikian rupa pada sebuah rangkaian untuk menghasilkan medan magnet yang searah. Sebuah keping logam yang akan dialiri arus diletakan diantara dua buah kumparan tersebut agar logam tersebut memiliki/ terpengaruhi medan magnet. Setelah rangkaian tersusun dan dialiri arus, dalam beberapa saat akan terdapat beda potensial yang disebabkan oleh pembelokan muatan pada bahan. Beda potensial tersebut dapat diukur menggunakan mikrovoltmeter. Percobaan dilakukan beberapa kali dengan jumlah arus DC yang berbeda, namun pada saat pergantian jumlah arus, kumparan harus diberi arus AC untuk menghilangkan sisa medan magnet yang tersisa pada kumparan. Pada bahan, arus yang lewat divariasikan antara nol hingga 2,5 volt dengan kenaikan 0,5 ampere. Pada kumparan, arus yang mengalir divariasikan antara nol hingga 2,5 ampere (0,5 A; 1,5 A; 2,5 A). Kemudian, tegangan yang muncul pada mikrovoltmeter dicatat. Pada literatur didapatkan bahwa pada kasus tersebut akan terjadi pembelokan pembawa muatan yang mengakibatkan terjadinya beda tegangan pada sisi-sisi logam.
Keterangan F: Gaya Lorentz q: muatan partikel v: kecepatan gerak q B: medan magnet Potensial Hall yang terukur dapat bernilai positif (+) atau negative (-) bergantung dari pembawa muatan yang dominan. Potensial Hall dapat di hitung dengan persamaan :
Keterangan VH : potensial Hall I : arus B : medan magnet q : pembawa muatan n : jumlah q per unit volume d : tebal konduktor RH : koefisien Hall Untuk mengetahui mobilitas pembawa electron didapatkan persamaan :
III. Data dan Pengolahan Dalam mencari nilai medan magnet, digunakan persamaan seperti berikut : Bz = (0,172 * Ik + 0,0223) tesla
(6)
Dengan data arus dari nol sampai tiga (kelipatan 0,5) , didapatkan grafik :
2
Untuk arus kumparan : 0,5442 A Vhall (x10-4 V) 0,13 0,26 0,42 0,56 0,69 Gambar 2. Grafik data medan magnet
I (A) 0,519 1,05 1,589 2,122 2,5817
Tabel 2. Data tegangan terhadap arus bahan untuk arus pada kumparan 0,5442 A
Berikut data arus dan tegangan yang didapatkan tanpa menggunakan kumparan : No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Vhall (V) 0,03 x10-4 0,18 x10-4 0,31 x10-4 0,46 x10-4 0,58 x10-4 0,74 x10-4 0,88 x10-4 1,04 x10-4 1,15 x10-4 1,31 x10-4
Ib (A) 0,5025 1,0851 1,5416 2,0727 2,5244 3,094 3,581 4,146 4,559 5,168
Gambar 4. Grafik Tegangan vs Arus
Tabel 1. Data efek Hall tanpa kumparan
Untuk arus kumparan : 1,5166 A
Dengan grafik Vhall (x10-4 V) 0,12 0,27 0,42 0,56 0,69
I (A) 0,4992 1,05 1,599 2,1063 2,5938
Tabel 3. Data tegangan terhadap arus bahan untuk arus pada kumparan 1,5166 A
Gambar 3. Grafik data efek Hall tanpa kumparan
Pada percobaa selanjutnya, mencari nilai koefisien Hall dari bahan , dengan Ketebalan bahan (d): 5 x 10-5 m Massa elektron : 9.109 x10-31 kg Muatan elektron (e) : 1.602x10-19 C Konduktivitas Tungsten = 1.89 x107 Ω-1m-1
Gambar 5. Grafik Tegangan vs Arus
3
Untuk arus kumparan : 2,5068 A Vhall (x10-4 V) 0,12 0,28 0,43 0,57 0,69
I (A) 0,486 1,082 1,585 2,0548 2,60
Tabel 4. Data tegangan terhadap arus bahan untuk arus pada kumparan 2,5068 A
Gambar 6. Grafik Tegangan vs Arus
Tabel 5. Hasil perhitungan untuk tiap arus kumparan yang berbeda no
Ik (A)
B (T)
m
RH (x10-5)(m3c-1)
n (x1022)(m-3)
μ (m2Ω-1C-1)
τ (x10-9)(m2kg Ω-1C-2)
1 2 3
0,5442 1,5166 2,5068
0,115902 0,283155 0,45347
2,73E-05 2,73E-05 2,75E-05
1,17858E-08 4,81361E-09 3,02997E-09
5,30E+26 1,30E+27 2,06E+27
2,23E-01 9,12E-02 5,74E-02
1,27E-12 5,19E-13 3,26E-13
IV. Pembahasan Pada literatur konstanta Hall untuk tungsten adalah 1.18 x10-10 , hasil yang didapat dalam percobaan memiliki perbedaan hingga pangkat 2. Perbedaan tersebut dapat disebabkan oleh perbedaan arus yang dialirkan pada logam tersebut, temperatur pada saat percobaan Fluks medan magnet dapat berubah-ubah seiring dengan perubahan suhu bahannya, atau bahkan ketebalan (luas) dari logam tersebut. Sedangkan untuk tandanya didapatkan sama dengan referensi yaitu positif. Nilai mobilitas electron dipengaruhi oleh nilai konduktivitas listrik dan konstanta Hall suatu bahan. Nilai mobilitas electron referensi adalah 2.02 x10-3 , juga mempunyai perbedaan cukup beda yakni berbeda nilai hingga 100. Perbedaan ini sangat berpengaruh pada penentuan bahan konduktor atau semikonduktor. Karena semakin besar nilai mobilitas elektronnya maka semakin baik pula bahan tersebut menghantarkan listrik.
Waktu tumbukan (Collision time) atau scattering time (τ) ialah waktu dimana muatan dalam material saling berinteraksi satu sama lain (bertumbukan). Hal tersebut dapat menyatakan semakin besar tumbukan yang terjadi pada sebuah material , semakin kecil mobilitas muatan dan konduktivitasnya semakin kecil. Waktu tumbukan ialah waktu dimana muatan saling bertumbukan , sehingga semakin besar waktu tumbukannya, maka mobilitas dan konduktivitasnya semakin besar. Mobilitas muatan merupakan ciri seberapa cepat muatan ( elektron atau hole ) dapat bergerak melalui logam atau semikonduktor , saat ditarik oleh medan listrik. kualitas konduktor dan semikonduktor adalah seberapa cepat muatan didalamnya bergerak. Semakin cepat pergerakan muatannya, semakin baik sifat konduktivitasnya (konduktor). Sedangkan semakin lambat pergerakan muatannya maka semakin jauh dari sifat konduktor yang baik. Pergerakan muatan 4
pada konduktor atau semikonduktor juga dapat dipengaruhi oleh suhu yang diterimanya. Semakin besar suhu, semakin cepat pergerakannya. Proses terjadinya efek Hall pada semikonduktor, ketika pembawa muatan pada semikonduktor berada dalam pengaruh medan magnet, pembawa muatan tersebut akan menerima gaya yang saling tegak lurus antara medan magnet dan arus listrik. pada tipe-n pembawa mayoritasnya adalah electron, sehingga akan terjadi pengumpulan elektron akibat pembelokan. Sedangkan untuk semikonduktor tipe-p sebaliknya akan terjadi penumpukan muatan positif. Muatan yang mengalir pada bahan percobaan ialah muatan negatif ( elektron ) Karena hasil yang terbaca pada potensial Hall bernilai positif. Dengan mengetahui arah arus dan medan magnet yang bekerja pada sistem tersebut kita dapat memprediksi muatan yang terdapat pada sisi-sisi logam dengan menggunakan metoda tangan kanan dan dapat dikuatkan dengan hasil beda potensial yang didapat pada logam tersebut dan ditampilkan pada mikrovoltmeter. Jika pada percobaan tersebut arah aliran arus pada bahan atau pada kumparan dibalik, akan menghasilkan arah medan magnet atau aliran muatan yang berlawanan. Sehingga jika salah satunya dibalik, maka potensial Hall yang terbacapun akan berbalik tanda. Salah satu aplikasi dari efek hall ialah sensor efek hall. Sensor Hall Effect digunakan untuk mendeteksi kehadiran atau ketidakhadiran suatu objek magnetis. Pada dasarnya ada dua tipe Half-Effect Sensor, yaitu tipe linear dan tipe on-off. Tipe linear digunakan untuk mengukur medan magnet secara linear, mengukur arus DC dan AC pada konduktor dan funsi-fungsi lainnya. Sedangkan tipe onoff digunakan sebagai limit switch, sensor keberadaan (presence sensors), dsb.
V. Simpulan Nilai potensial Hall (VH) sangat bergantung dengan besar medan magnet (B) dan arus listrik (I) yang digunakan pada bahan. Nilai koefisien Hall bahan dapat diperoleh dari hubungan antara potensial Hall dan arusnya, serta medan magnet (B) yang dihasilkan dan lebar bahan. Mobilitas pembawa muatan bahan dapat diperoleh dari hubungan antara konduktivitas listrik bahan dengan koefisien Hall bahan.
VI. Pustaka [1] Caravelli GJ. The Hall Effect in Silver and Tungsten. Baltimore: The Johns Hopkins University;2006.
[2] Chabay Ruth W, Sherwood Bruce A. Matter and Interactions. John Wiley & Sons; 2011.
[3]http://www.advancedlab.org/mediawik i/index.php/Hall_Effect_in_Semiconduct or
5
