Pages

Diberdayakan oleh Blogger.

Rabu, 19 November 2014

Laporan Eksperimen Fisika Percobaan Efek Hall

PERCOBAAN EFEK HALL

Heri Setiawan*), Alimuddin Hamsah P., Anuhgraini Jumaru, Nurfadia Adlina, Nur Fitrah H, Yuliastuti

Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA
Universitas Negeri Makassar

Abstrak. Telah dilakukan percobaan yang berjudul Percobaan Efek Hall yang bertujuan untuk menentukan hubungan antara arus Hall IH dan tegangan UH, mengukur sensitivitas elemen Hall KH dari bahan semikonduktor GaAs (Germanium Aslika), sserta untuk menentukan kurva magnetisasi bahan baja silicon dengan elemen Hall. Pada dasarnya prinsip kerja dari percobaan efek Hall ini menggunakan prinsip kerja gaya Lorentz, dimana ketika muatan memasuki wilayah medan magnet maka muatan tersebut mendapat pengaruh gaya lorentz sehingga muatan tersebut terbelokkan searah dengan arah gaya lorentz bekerja. Percobaan ini dibagi menjadi 3 (tiga) kegiatan sesuai dengan tujuan yang ada, dimana pada kegiatan 1 diperoleh nilai RH secara analisis sebesar  dan secara grafik  derajat kebenaran yang dipatkan mencapai 99,87%. Pada kegiatan kedua sensitivitas KH Serta Nilai konsentrasi pembawa muatan (P) untuk tiap nilai arus magnetisasi (Im) dimana nilainya dapat dapat dilihat pada pada analisis perhitungan sedangkan pada kegiatan ketiga diperoleh nilai kuat medan B dengan menggunakan nilai KH yang diperoleh dari kegiatan kedua. Berdasarkan percobaan dapat disimpulkan Arus Hall berbanding terbalik dengan tegangan Hall dan berbanding lurus dengan kuat medan magnet, serta nilai sensitivitas elemen Hall berbanding lurus dengan kuat medan magnet dan berbanding terbalik dengan konsentrasi pembawa muatan.

KATA KUNCI: Efek Hall, Gaya Lorentz, Sensitivitas Elemen Hall, Koefisien Hall.




PENDAHULUAN

Efek Hall, ditemukan pada tahun 1879 oleh Edwin Herbert Hall pada saat sedang mengerjakan disertasi doktoralnya dalam bidang fisika dibawah bimbingan profesor Henry A. Rowland.  Hall bernalar jika arus dipengaruhi oleh medan magnet maka seharusnya terdapat “sebuah tekanan, listrik akan mengalir ke arah salah satu sisi kawat penghantar. Setelah melakukan eksperimen berkali-kali Hall akhirnya menemukan bahwa sebuah medan magnet akan mengubah arah garis ekuipotensial sebuah konduktor yang menghantar arus. Efek ini teramati sebagai sebuah tegangan yang Arahnya tegak lurus terhadap arus dalam konduktor. Gejala ini kemudian dikenal sebagai efek Hall. Hall melakukan eksperimennya dengan meletakkan sebuah lembaran emas tipis di atas sebuah pelat kaca kemudian merekat lembaran emas tersebut pada titik-titik yang terletak di bagian panjang lembaran emas itu. Eksperimen ini dilakukan dengan menggunakan berbagai jenis material selain lembaran emas, dan merekatkannya pada pelat kaca pada berbagai titik perekatan.
Penyelidikan tentang efek Hall sulit dilakukan karena tegangan Hall yang dapat dihasilkan nilainya sangat kecil. Tetapi dengan kemajuan teknologi semikonduktor dan pengembangan berbagai jenis bahan semikonduktor paduan, akhirnya dapat dihasilkan tegangan Hall dengan nilai orde magnitudo yang jauh lebih besar dibandingkan tegangan Hall yang dihasilkan pada material-material sebelumnya [1].
Dalam percobaan ini ada tiga kegiatan dilakukan  pertama untuk menentukan hubungan Antara arus Hall dan tegangan Hall, pada kegiatan ini arus magnetisasi menjadi variabel kontrol sedangakan arus Hall menjadi variabel bebas. Sebaliknya pada kegiatan kedua tujuannya adalah mengukur sensitivitas elemen Hall  Kh dari bahan semikonduktor GaAs dan pada kegiatan ketiga tujuannya adalah untuk menentukan kurva magnetisasi bahan baja silikon dengan elemen Hall, pada kegiatan kedua dan ketiga  yang menjadi variabel kontrol adalah arus Hall sedangkan yang menjadi variabel bebas adalah arus magnetisasi, data yang diukur adalah arus Hall, Tegangan Hall dan Kuat medan magnet.

TEORI

Bila arus listrik melewati sebuah konduktor pada arah tegak lurus dengan medan magnet luar, akan timbul beda potensial pada arah tegak lurus dengan arus listrik dan medan magnet tersebut. Gejala ini dikenal sebagai Efek Hall, ditemukan pada tahun 1879 oleh Fisikawan Amerika Hall. Efek Hall pada logam umumnya kecil akan tetapi pada bahan semikonduktor seperti germanium tipe-N, InSb, dan GaAs efek Hall cukup besar. Elemen GaAs umumnya dipakai pada pengukuran medan magnetik karena kepekaan yang tinggi, rentang linier yang lebar, dan koefisien suhu yang rendah.  Gambar 1 memperlihatkan arus listrik IH melewati elemen Hall tipe-P, arus hanyut pembawa muatan lubang (holes) sebesar v, medan magnet B menyebabkan gaya Lorentz F pada muatan bergerak.

 


                                                           







GAMBAR 1. Diagram terbentuknya Tegangan Hall
 
 




                                              (1)

Dalam hal ini q menyatakan muatan elektron. Gaya Lorentz akan membelokkan pembawa muatan kearah horizontal dan berkumpul pada tepi sampel dan menghasilkan medan listrik E. Pengumpulan terus berlangsung hingga meddan listrik (Fe=qE) dan medan magnet (FB) yang dikerahkan oleh pembawa muatan saling meniadakan, dalam hal ini:

                                             (2)

Untuk sampel tipe p dengan konsentrasi pembawa muatan sebesar p, lebar w dan tebal d, arus yang melewati sampel adalah IH (IH=pqυωd), sehingga kecepatan pembawa muatan hole menjadi υ=IH/pqωd. Maka dari persamaan (2) diperoleh,
            (3)
Jika kedua ruas pers. (3) dikalikan dengan w maka diperoleh,

      (4)

dengan RH=1/pq dan disebut sebagai koefisien Hall. Secara ringkas, persamaan(4) umumnya ditulis sebagai:

                                               (5)                       

Dalam hal ini koefisien KH=RH/d=1/pqd dan disebut sebagai sensitivitas elemen Hall, dinyatakan dalam satuan mV/(mA·T). Secara umum, semakin besar KH semakin baik. Oleh karena KH berbanding terbalik dengan konsentrasi pembawa muatan p dan konsentrasi ini kecil dibandingkan di dalam logam, maka bahan semikonduktor lebih baik digunakan sebagai elemen Hall. Dari pers. (5) tampak bahwa dengan mengetahui KH, nilai IH dan UH dapat diukur.
Seperti halnya dengan NMR,  efek Hall dapat dipakai untuk mengukur medan magnetik AC dan DC dengan cepat dan sederhana. Gambar 2 memperlihatkan sumber DC yang menghasilkan arus magnetik IM yang dapat diatur besarnya melalui hambatan R1. Sumber E2 membangkitkan arus Hall IH ke elemen Hall melalui hambatan R2.  Sumber E2 dapat berupa DC atau AC. Sebuah voltmeter digunakan untuk mengukur arus Hall IH dan tegangan Hall UH.
GAMBAR 2. Rangkaian untuk mengukur Beda Potensial Hall.
 
 















Semikonduktor umumnya terdiri atas tipe-n dan tipe-p dengan pembawa muatan yang berbeda tanda. Oleh karena itu, jika jenis bahan diketahui, arah medan magnetik dapat ditentukan dengan melihat tanda UH. Oleh karena waktu yang digunakan untuk menghasilkan medan listrik melalui efek Hall sangat singkat (10-12 – 10-14 s), maka arus AC atau DC dapat digunakan. Jika arus Hall dinyatakan sebagai IH=I0sin(ωt), maka diperoleh

                (6)

Potensial Hall bersifat bolak balik. Dalam kasus AC, persamaan(6) tetap valid akan tetapi nilai IH and UH merupakan nilai efektif. [1]

METODOLOGI EKSPERIMEN

Percobaan ini bertujuan untuk menentukan hubungan arus Hall IH dan tegangan UH, mengukur senssitivitas elemen Hall KH dari bahan semikonduktor GaAs(Germanium Aslika) serta untuk menentukan kurva magnetisasi bahan baja silicon dengan elemen Hall.
Untuk melakukan kegiatan tersebut yang sesuai dengan tujuan, alat-alat yang dibutuhkan satu set perangkat alat Efek hall produksi Lambda scientific. Karena alat tersebut sudah terangkai dengan baik maka langkah pertama yang dilakukan adalah mengecek seluruh komponen alat efek Hall terhubung dengan baik, seperti yang tampak pada Gambar  berikut ini.

 












GAMBAR 3. Foto Alat Efek Hall produksi Lamda Scientific
Setelah itu melakukan pengukuran I, II, dan III. Pada Pengukuran I dilakukan untuk menentukan hubungan antara IH dan Udengan langkah-langkah yaitu menghubungkan perangkat efek Hall ke sumber tegangan PLN. memastikan seluruh display menunjukkan angka 0. Kemudian mengatur arus magnetisasi elektromagnet IM sebesar 400 mA, tidak boleh lewat dari 400 mA. Setelah itu mengatur arus Hall (Arus yang dialirkan ke elemen Hall)
dengan memutar perlahan tombol “Hall Current Adj.” mulai dari 0,5 mA, 1,0 mA, 1,5 mA, 2,0 mA, dan 2,5 mA. ( Percobaan ini dilakukan harus dengan pengawasan asisten karena arus ini tidak boleh melewati 5 mA karena akan menyebabkan Elemen hall terbakar). Selanjutnya pada setiap nilai arus IH, mengukur tegangan Hall. Untuk mendapatkan nilai UH yang baik tekan bolak balik reverse switch pada panel UH. Dan yang terakhir yaitu memplot UH – IH, dan memastikan hubungan linier antara keduanya.
Selanjutnya untuk pengukuran II dilakukan untuk mengukur sensitivitas  KH dari elemen Hall GaAs. Langkah pertama yaitu mempelajari bagaimana cara menggunakan sebuah Teslameter untuk mengukur kuat medan magnet. Peringatan: Probe teslameter sangat rapuh oleh karena itu perlu sangat berhati-hati. Kemudian mengatur dan mempertahankan arus Hall IH pada nilai 1.00 mA (input dari terminal 1&3).mengatur juga arus magnetisasi IM melalui tombol “Current Adj.” Pada nilai 50 mA, 100 mA, 150 mA, 200 mA, ..., 400 mA. Kemudian untuk setiap nilai IM, mencatatlah kuat medan magnetik B dengan Teslameter serta tegangan  Hall UH pada sampel. Catatan. Untuk menghilangkan efek samping saat pengukuran tegangan Hall UH, kedua saklar toggle sebaiknya digunakan untuk membalik polaritas secara berurutan dan data yang diperoleh sebaiknya dirata-ratakan. Selanjutnya menghitung sensitivitas elemen Hall dengan menggunakan persamaan (5).
Pada Pengukuran III dilakukan untuk menentukan kurva magnetisasi bahan baja silikon dengan elemen Hall. Dalam hal ini, elemen Hall akan digunakan untuk mengukur kuat medan magnet B di celah elektromagnetik. Langkah yang pertama yaitu megatur arus Hall IH pada nilai 1 mA sambil merubah arus eksitasi IM from 0 to 400 mA dengan tahap kenaikan 100 mA. Kemudian pada setiap nilai IM, mencatatlah tegangan Hall voltage UH. Catatan: Ingat, untuk mengeliminasi efek samping gunakan kedua saklar toggle.
Selanjutnya menghitung kuat medan magnet B untuk setiap nilai IM dengan pers. (5). menggunakan nilai KH yang diperoleh pada pengukuran II dan yang terakhir memplot kurva B-IM curve.


HASIL EKSPERIMEN DAN  ANALISA DATA

Hasil Pengamatan
Kegiatan 1. Menentukan Hubungan Antara Arus Hall (IH) dengan Tegangan Hall (UH).
Im  = 400 mA
TABEL 1. Hubungan Antara Arus Hall (IH) dengan Tegangan Hall (UH) dan Kuat Medan Magnet (B).
No
IH (mA)
UH (mV)
B (T)
1
2
3
4
5
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,6
5,4
7,7
9,5
11,5
0,2967
0,2967
0,2967
0,2967
0,2967




Kegiatan 2. Mengukur Sensitivitas KH dari Elemen Hall GaAs.
IH = 1,00 mA
TABEL 2. Hubungan Antara Arus Magnetisasi (Im) dengan Tegangan Hall (IH) dan Kuat Medan Magnet (B).
No
Im (mA)
UH (mV)
B (T)
1
50
45,0
0,0360
2
100
22,2
0,0706
3
150
16,6
0,1072
4
200
12,5
0,1430
5
250
9,9
0,1806
6
300
8,3
0,2194
7
350
6,5
0,2583
8
400
5,7
0,2965
Kegiatan 3.  Menentukan Kurva magnetisasi bahan baja silikon dengan Elemen Hall.
IH = 1,00 mA
TABEL 3. Hubungan Antara Arus Magnetisasi (Im), Tagangan Hall (UH) dan Kuat Medan Magnet (B).
No
Im (mA)
UH (mV)
B (T)
1
0
0
0,0000
2
100
22,2
0,0713
3
200
13,1
0,1429
4
300
7,6
0,2198
5
400
5,7
0,2965
Analisis Data
Pada saat proses pengumpulan berlangsung hingga medan listrik dan medan magnet saling meniadakan, oleh karena itu:
Karena nilai q nya sama maka:
      . . . (1)
Nilai arus IH sebesar:
 
Maka nilai v nya adalah:
         … (2)
Subsitusikan pers. (2) ke dalam pers (1).
 
Dari persamaan diatas untuk setiap ruasnya masing-masing dikali w, maka diperoleh:
Dimana E w = UH dan  maka:
 
Kegiatan 1.  Menentukan hubungan antara IH dengan UH
Menggunakan persamaan:
UH        : tegangan Hall (mV)   
IH         : arus Hall (mA)          
B          : kuat medan magnet (T)
d          : tebal  bahan (m)        
RH        : Koefisien Hall (Ω m/T)
Kegiatan 2. Mengukur Sensitivitas KH dari Elemen Hall GaAs
Menghitung nilai sensitivitas KH
Menggunakan persamaan:
UH       : Tegangan Hall (mV)
IH         : Arus Hall (mA)
B         : Kuat medan Magnet (T)
KH   : Sensitivitas Elemen Hall  mV/(mA.T)
Menghitung rapat pembawa muatan p
Menggunakan persamaan:
q  = muatan elektron (1.6 x 10-19  C)
d  = tebal bahan semikonduktor (m) 0,02 x 10-6 m
Kegiatan 3. Menentukan Kurva Magnetisasi Bahan Baja Silikon dengan Elemen Hall
Menghitung besar kuat medan magnet.
Menggunakan persamaan:
UH        : tegangan Hall (mV)   
IH         : arus Hall (mA)          
B          : kuat medan magnet (T)         
KH        : sensitivitas element Hall (mV/mAT) 
Analisis Perhitungan
Kegiatan 1.  Menentukan hubungan antara IH dengan UH
Diketahui;
UH rata-rata    = 7.54 mV
IH rata-rata     = 1.5 mA
rata-rata     = 296.7 x 10-3 T
d                    = 0,02 x 10-6 m
Sehingga;

Kegiatan 2. Mengukur Sensitivitas KH dari Elemen Hall GaAs
Menghitung nilai sensitivitas KH
Untuk IM = 50 mA
TABEL 4. Nilai sensitivitas (KH) untuk tiap nilai arus magnetisasi (Im)
NO.
(Im) mA
KH              (mV/ma T)
1
50
1250,00
2
100
314,45
3
150
154,85
4
200
87,41
5
250
54,82
6
300
37,83
7
350
25,17
8
400
19,22
Menghitung rapat pembawa muatan p
Diketahui;
q  = 1.6 x 10-19  C ; d  = 0.02 x 10-6 m
Untuk Im = 50 mA
TABEL 5. Nilai konsentrasi pembawa muatan (P) untuk tiap nilai arus magnetisasi (Im)
NO.
(Im) mA
P x 1025
(mA T / mV C m)
1
50
0,025
2
100
0,099
3
150
0,202
4
200
0,358
5
250
0,570
6
300
0,826
7
350
1,240
8
400
1,630
Kegiatan 3. Menentukan Kurva Magnetisasi Bahan Baja Silikon dengan Elemen Hall
Menghitung kuat medan magnet
Untuk Im = 100 mA
TABEL 6. Nilai kuat medan magnet untuk tiap nilai arus magnetisasi (Im)
NO.
(Im) mA
B (T)
1
0
0,0000
2
100
0,0706
3
200
0,1499
4
300
0,2009
5
400
0,2965
Analisis Grafik
Kegiatan 1.  Menentukan hubungan antara IH dengan UH













Gambar 4. Grafik hubungan antara arus Hall (IH) dan tegangan Hall (UH)

Menentukan Nilai Koefisien Hall
y = mx
Dari persamaan  diperoleh:
Kegiatan 3. Menentukan Kurva Magnetisasi Bahan Baja Silikon dengan Elemen Hall










Gambar 5. Grafik hubungan antara arus magnetisasi (Im) dan medan magnet (B)

Pembahasan
Percobaan yang dilakukan kali ini adalah Percobaan Efek Hall yang bertujuan untuk menentukan hubungan antara arus Hall IH dan tegangan UH; Mengukur sesnsitivitas elemen Hall KH dari bahan semikonduktor GaAs (Germanium Aslika); serta untuk menentukan kurva magnetism bahan baja silicon dengan elemeh Hall. Pada dasarnya prinsip kerja dari percobaan efek Hall ini menggunakan prinsip kerja gaya Lorentz, dimana ketika muatan memasuki wilayah medan magnet maka muatan tersebut mendapat pengaruh gaya lorentz sehingga muatan tersebut terbelokkan searah dengan arah gaya lorentz bekerja (mengikuti kaidah tangan kanan).
Perccobaan ini dibagi menjadi tiga kegiatan yakni pada kegiatan pertama menetukan hubungan antara arus IH dan tegangan UH sesuai dengan tujuan pertama percobaan ini. Pada kegiatan pertama ini kita manipulasi variabel arus Hall nya dan arus magnetisasinya sebagai variable kontrol, sedangkan variabel yang diukur adalah tegangan Hall UH dan kuat medan magnet B (Hasil pengukuran dapat dilihat pada table pengamatan). Dari hasil analisis yang diperoleh didapatkan nilai RH nya sebesar
, serta dari analisis grafik hubungan antara arus Hall (IH) dan tegangan Hall (UH) diperoleh nilai RH sebesar
 dimana derajat kebenaran yang diperoleh sebesar 99,87% sehingga kesalahan relative yang didapatkan sangat kecil sebesar 0,13 %. Ini membuktikan bahwa pada kegiatan pertama yang telah dilakukan berhasil.
Adapun pada kegiatan kedua yakni mengukur sensitivitas KH dari elemen Hall GaAs(Germanium Aslika), dimana yang menjadi variable manipulasi pada kegiatan ini adalah arus magnetisasi sedangkan arus Hall sebagai variable kontrolnya, serta variable yang diukur adalah tegangan Hall dan kuat medan magnet (Hasil pengukuran dapat dilihat pada table pengamatan). Berdasarkan hasil analisis yang diperoleh nilaih sensitivitas KH secara berturut-turut untuk setiap arus magnetisasi 50 mA, 100 mA, 150 mA, 200 mA, 250 mA, 300 mA, 350 mA, 400 mA adalah  1250,00 mV/mAT, 314,45 mV/mAT, 154,85 mV/mAT, 87,41 mV/mAT, 54,82 mV/mAT, 37,83 mV/mAT, 25,17 mV/mAT, 19,22 mV/mAT. Serta Nilai konsentrasi pembawa muatan (P) untuk tiap nilai arus magnetisasi (Im) dapat dilihat pada pada analisis perhitungan yang tercantum pada bagian sebelumnya.
Pada kegiatan ketiga yakni menetukan kurva magnetisasi bahan baja silicon dengan elemen hall sesuai dengan tujuan ketiga. Variable control yang digunakan pada kegiatan ketiga ini arus Hall dan variable ukurnya adalah tegangan hall dan kuat medan magnet (Hasil pengukuran dapat dilihat pada table pengamatan). Sebenarnya kegiatan kedua mempunyai kemiripan dengan kegiatan kedua namun yang membedakannya adalah pada kegiatan kedua Arus Magnetisasinya menggunakan interval 50 mA, sedangan pada kegiatan ketiga interval yang digunakan adalah 100 mA. Berdarkan hasil analisis data yang diperoleh pada kegiatan ketiga ini didapatkan Nilai kuat medan magnet untuk tiap nilai arus magnetisasi (Im) 100 mA, 200 mA, 300 mA, 400 mA, berturut-turut adalah 0,0706 T, 0,1499 T, 0,2009 T, 0,2965 T. Nilai ini diperoleh dengan menggunakan nilai KH yang diperoleh pada kegiatan kedua. Selain itu pada kegiatan kedua kita menarik sebuah grafik hubungan antara arus  magnetisasi (Im) dan medan magnet (B).
Dari ketiga kegiatan diatas patut kita perhatikan dalam melakukan percobaan ini adalah pada saat pengambilan data nilai arus magnetisasi IM nya tidak boleh melebihi dari 400 mA serta nilai arus Hall IH nya pun tidak boleh melebihi dari 5 mA. Sebab apabila hal itu terjadi akan menyebabkan elemen Hall tersebut akan terbakan.

SIMPULAN

Berdasarkan hasil percobaan maka dapat disimpulkan bahwa prinsip kerja dari percobaan efek Hall mengikuti Prinsip Kerja Gaya Lorentz. Diman dari analisis data dan grafik diperoleh Arus Hall berbanding terbalik dengan tegangan Hall dan berbanding lurus dengan kuat medan magnet, serta nilai sensitivitas elemen Hall berbanding lurus dengan kuat medan magnet dan berbanding terbalik dengan konsentrasi pembawa muatan.

REFERENSI

[1]Subaer, dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.



0 komentar:

Posting Komentar

 

Blogger news

Blogroll

About