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.
|
(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.
|
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 UH
dengan 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
B 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.
, 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