LAPORAN PRAKTIKUM
EKSPERIMEN MATERIAL DAN ENERGI EFEK HALL
KELOMPOK NUR AENI
( H21111002 )
MUSFITASARI (H21111266) (H21111266 ) DOSEN
I ( SATU ) MARWAN
(H21111010)
FITRIANI
(H21111260)
: EKO JUARLIN, S.Si, M.Si
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN 2014
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar belakang
Efek hall memperagakan adanya gaya pada muatan bergerak dalam suatu konduktor yang berada dalam medan magnet. Kawat berarus listrik yang terletak dalam medan magnet dengan arah tegak lurus dengan arah arus maka kawat akan mengalami gaya magnetik sehingga menyebabkan kawat akan melengkung. Efek hall ditemukan pada tahun 1979 (Hall E.H., Journal of mathematics 2. (1879). Dalam Meiners H., et al, (1987), Efek hall merupakan suatu peristiwa berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada divais efek Hall yang ditempatkan dalam medan megnet yang arahhnya tegak lurus arus listrik , pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya lorentz yang bekerja pada partikel menjadi nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi divais tersebut disebut potensial hall. Efek hall berkaitan dengan suatu cara pengukuran eksperimental sifat listrik yang dilaporkan oleh E.H. Hall pada tahun 1879. Apabila model elektron bebas terkuantisasi dianut, dan efek ini ingin ditelusuri secara teoritik dengan baik, maka perlu dilakukan telaah seperti yang dilakukan Hall.
I.2. Ruang lingkup
Pada percobaan Efek hall ini dibatasi oleh bagaimana menunjukkan adanya hubungan antara tegangan terhadap arus dari suatu bahan, menghitung konsentrasi muatan serta resistivitas bahan bahan berdasarkan dari data hasil eksperimen yang telah didapat.
I.3. Tujuan
Adapun tujuan dari percobaan ini adalah: 1. Membuat kurva tegangan terhadap arus dari suatu bahan 2. Menghitung konsetrasi muatan suatu bahan 3. Menghitung resistivas bahan
I.4. Waktu dan tempat
Percobaan Efek Hall ini dilaksanakan pada hari Senin, 7 April 2014, pada pukul 13.30 s/d 15.30 WITA. Percobaan ini berlangsung di laboratorium Eksperimen material dan Energi Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Hasanuddin.
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
II.1 EFEK HALL
Pertama kali efek Hall ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada tahun 1879 ketika beliau sedang mengambil gelar doktoralnya di Universitas Johns Hopkins di Baltimore. Dr. Hall menemukan bahwa jika sebuah magnet diletakkan dan medan magnet tersebut tegak lurus dengan suatu permukaan pelat emas yang dialiri arus, maka timbul beda potensial pada ujung - ujung yang berlawanan. Beliau menemukan bahwa tegangan yang terjadi sebanding dengan besarnya arus yang mengalir dan densitas fluks atau induksi magnet yang tegak lurus terhadap pelat. Walaupun eksperimen hall berhasil dan dapat diterima pada saat itu, belum ada aplikasi yang menggunakan efek Hall sampai 70 tahun setelahnya.
Gambar 2.1. Efek Hall pada konduktor tanpa medan magne
II.2. Prinsip Kerja Efek Hall
Gaya Lorentz
adalah prinsip kerja utama dari efek Hall. Sebuah penghantar
konduktor berbentuk pelat dialiri arus I, terlihat bahwa muatan positif bergerak ke arah kanan menuju kutub negatif dari sumber arus, sedangkan muatan negatif bergerak lurus kearah kiri menuju kutub positif sumber arus. Oleh karena itu tidak ada beda potensial pada ujung-ujung pelat konduktor. Bila pelat penghantar diberi medan magnet, seperti gambar 2.2, yang arahnya tegak lurus arus kearah dalam, maka muatan pada pelat konduktor akan mengalami gaya Lorentz sebesar. Muatan positif akan mengalami gaya Lorentz kearah atas seperti gambar 2.2 (a), maka pada bagian atas pelat konduktor seolah-olah akan berjajar muatan positif (kutub positif), sedangkan muatan negatif akan mengalami gaya Lorentz ke arah bawah
maka
pada
bagian
bawah pelat konduktor seolah - olah akan berjajar muatan negatif (kutub negatif). Oleh karena itu akan timbul medan listrik dan beda potensial pada penghantar. Besarnya beda potensial ini merupakan tegangan Hall (VH) nilai VH ini dapat dinyatakan Dengan I adalah arus listrik yang mengalir pada konduktor (Ampere), B besarnya medan magnet (Tesla), n densitas muatan, q besarnya muatan (Coloumb), dan w tebal pelat penghantar (meter). Semua peralatan efek Hall diaktifkan oleh adanya medan magnet. Medan magnet mempunyai dua karakteristik yang penting, densitas-fluk dan polaritas. Kebanyakan dari saklar
digital efek Hall dirancang akan mati jika tidak ada medan magnet (rangkaian terbuka pada keluaran). Saklar akan aktif jika hanya dikenai medan magnet yang
memiliki densitas yang cukup dan arah yang tepat. Untuk mengoperasikannya, garis flux magnet harus tegak lurus pada
permukaan paket sensor, dan harus memiliki polaritas yang tepat. salah satu contoh sensor efek Hall adalah IC efek hall dengan tipe UGN3503 yang merupakan tipe sensor efek Hall linier. IC ini memiliki 3 pena komponen internal terdiri dari elemen sensor efek Hall, amplifier dan buffer, semuanya dalam satu chip. Sensor ini memberikan tegangan keluaran yang sebanding dengan densitas medan magnet. Keluaran sensor pada saat medan magnet masukkannya 0 gauss adalah setengah dari Vcc. Untuk medan positif (kutub selatan), semakin besar
medan maka tegangan keluarannya juga semakin besar dan untuk medan negatif (kutub utara) semakin besar medan maka tegangan keluarannya akan semakin kecil. Tegangan Hall adalah tegangan low-level signal yaitu 30 mV dalam keadaaan ada medan magnet sebesar 1 gauss. Oleh karena itu dalam aplikasinya dibutuhkan amplifier untuk menguatkan sinyal tegangan hall agar bisa diproses ke tahap berikutnya seperti ADC (analog to digital converter).
II.3 Analog Output Sensor
Adanya kutub medan magnet yang berbeda menyebabkan output dari amplifier berbeda pula, bisa positif dan negatif. Oleh karena itu dibutuhkan power supply positif dan negatif. Untuk menghindari kebutuhan dari power supply ini, maka nilai offset atau bias dibuat alam differensial amplifier. Ketika tidak ada medan magnet output tegangan tidak sama dengan nol, ini disebut sebagai null voltage. Nilai inilah yang menjadi standar nol dari sensor hall. Ketika ada medan magnet positif, tegangan output naik dari null voltage. Sebaliknya, ketika ada medan magnet negatif, tegangan output menurun dari null voltage, tetapi sisanya positif. Kenaikan atau penurunan arus adalah linier.
II.4 Akibat Adanya Arus Dalam Kawat Lurus
Satu bulan setelah Oersted mengumumkan penemuannya bahwa jarum kompas disimpangkan
oleh
arus
listrik,
Jean
Baptiste
Biot
dan
Felix
Savart
mengumumkan hasil-hasil pengukuran mereka tentang gaya pada magnet di dekat kawat panjang yang membawa arus listrik dan menganalisis hasil ini terhadap besaran medan magnetik yang dihasilkan oleh setiap elemen arus tadi. Andre Marie Ampere memperluas percobaan ini dan menunjukan bahwa elemen arus juga mengalami gaya ketika berada dalam medan magnetik dan bahwa dua arus akan saling memberikan gaya.
Arah medan magnetik elemen di P akibat elemen ini adalah arah dari . Medan magnetik akibat seluruh elemen arus kawat tersebut kawat berada dalam arah yang sama. Medan akibat elemen arus yang ditunjukan gambar 5 memiliki besaran;
Untuk mendapatkan nilai medan magnet total akibat elemen arus pada titik P, maka dilakukan operasi integral pada rumusan di atas. Dengan menggunakan
modifikasi matematika diperoleh nilai total medan magnet di titik P adalah sebagai berikut:
Pada sembarang titik dalam ruang, garis-garis medan magnetik akibat sembarang kawat panjang, lurus, yang mengalirkan arus ternyata menyinggung suatu ligkaran yang berjari-jari R, dengan R merupakan jarak tegak lurus dari kawat ke titik medan tersebut. Arah B dapat ditentukan dengan menggunakan kaidah tangan kanan.
II.5 Penguat Sinyal Tegangan (OP-AMP )
Sinyal output dari sensor hall sangat kecil dan memiliki noise yang cukup besar. Untuk dapat diolah pada proses selanjutnya misalnya sseperti input pada Analog to Digital , maka dibutuhkan rangkaian yang mampu menguatkan sinyal tegangan output sensor, mengatur range tegangan dan menghasilkan sinyal linier serta bebas noise. Rangkain seperti ini disebut sebagai Op Amp.
Differensial Amplifier Differensial Amplifier adalah suatu rangkaian penguat differensial yang
memiliki kemampuan khusus untuk menerima input dengan impedansi yang rendah, memiliki penguatan yang stabil dan dapat dengan mudah diatur penguatannya dengan menggunakan sebuah resistor. Differensial Amplifier berfungsi untuk menguatkan perbedaan input antara dua sinyal yang berbeda. Rangkaian penguat differensial terdiri dari empat buah resistansi yang sama besar dan sebuah penguat operasional.
Rangkaian Non Inverting Amplifier Rangkaian non inverting amplifier berfungsi untuk merubah range
tegangan menjadi yang diinginkan. Rangkaian non inverting amplifieri berfungsi untuk mengatur tegangan output minimum dari transduser agar sesuai dengan tegangan yang dibutuhkan oleh rangkaian berikutnya
Rangkaian Penyangga ( Buffer )
Rangkain buffer berfungsi untuk menampung data yang akan ditransfer dari atau ke perangkat masukan atau keluaran dan penyimpan sekunder. Buffer dapat mengurangi frekuensi pengaksesan dari atau ke perangkat masukan atau keluaran dan penyimpan sekunder sehingga meningkatkan kinerja sistem. Buffer membuat impedansi input yang tinggi menjadi rendah dan dapat menguatkan arus. Buffer memisahkan atau memberdayakan sinyal sumber dari sinyal beban. Rangkaian buffer adalah rangkaian non onverting dengan gain = 1.
Absolute Value output Circuit Tegangan output dari sensor dapat turun dan naik dari null voltage. Jika
sensor didekatkan ke kutub negatif magnet maka output tegangannya akan menurun. Ini menyebabkan selisih antara offset tegangan dan keluaran sensor menjadi negatif. Absolute value output circuit berfungsi untuk membuat output tegangan sensor tetap positif. Rangkaian absolute value output circuiti juga bisa berfungsi sebagai penyearah arus.
BAB III METODOLOGI PERCOBAAN
III.1 Alat dan Bahan III.1.1 Alat Beserta Fungsinya
Alat yang digunakan dalam percobaan ini adalah: 1. Digital Hall Effect Set-Up berfungsi untuk sumber arus
2. Medan magnet berfungsi sebagai sumber magnet
3. Voltmeter berfungsi untuk mengukur tegangan yang dihasilkan
4. Tesla meter berfungsi untuk mengukur besar medan magnet.
III.1.2 Bahan Beserta Fungsinya
1. Ge Cristal 4916 dan Ge Cristal 5080 berfungsi untuk material uji
III.2 Prosedur Percobaan
Adapun prosedur percobaan ini adalah : 1. Mengukur ketebalan kawat uji dengan jangka sorong. 2. menghubungkan kabel kawat uji Ge cristal 4916 dengan digital hall efek set up, kawat hitam dan merah di hubungkan pada digital hall efek set up. 3. Menghubungkan kabel kawat uji lainya yang berwarnah kuning dan hijau pada voltmeter. 4.
mengukur besar medan magnet dengan tesla meter.
5. meletakkan kawat uji Ge cristal 4916 pada medan magnet. 6.
mengamati besaran beda potensial pada voltmeter.
7.
mengulangi metode 1-5 dengan menggunakan Ge cristal 5080
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN IV.1 Hasil IV.1.1 Tabel dan grafik Besar medan magnet (B) = 2,2 T 1.
Untuk Ge cristal 4916
2. Untuk Ge cristal 5080
-4
-4
Diameter (d) = 3.10 m
diameter (d) = 9.10 m
VH(volt)
I (A)
VH(volt)
I (A)
0,21
0,16
0,09
0,092
0,19
0,15
0,08
0,086
0,18
0,14
0,07
0.070
0,17
0,13
0,06
0,062
0,16
0,12
0,05
0,054
Ge cristal 4916 0.25 y = 1.299x
0.2 0.15 0.1 0.05 0 0
0.05
0.1
0.15
0.2
Ge cristal 5080 0.1 y = 0.9622x
0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
0.02
0.04
IV.1.2. Pengalahan Data Menghitung nilai densitas muatan : 1. Untuk Ge cristal 4916
( )( )( )
10
23
2. Untuk Ge cristal 5080
( )( )( )
10
23
0.06
0.08
0.1
IV.2.Pembahasan Percobaan ini dilakukan dengan mengalirkan arus pada plat material yang di uji yaitu pada Ge Cristal 4916 dan Ge cristal 5080 sehingga pada plat terjadi medan listrik. Pada saat plat di letakkan pada medan magnet yang arahnya ke sumbu z maka akan terjadi gaya Lorentz. Arus akan mengalir pada sumbu x maka arah medan magnet ke sumbu z,maka gaya Lorentz akan tegak lurus dengan medan magnet. Pada saat plat tidak di beri medan magnet maka elektoron positif dan electron nengatif saling menyatuh, setelah medan magnet di berikan pada plat makan electron pesitf dan electron negative saling terpisah, sehingga terdapat beda potensial pada plat tersebut. Adanya beda potensial yang terjadi itu maka terjadilah efek hall. Dari analisis data di peroleh hasil bahwa besar beda potensial sebanding dengan besar arus yang di alirkan pada plat. Sehingga grafik yang dihasilkan berbentuk linier. Sedangkan untuk nilai densitas ternyata ada beberapa faktor yang mempengaruhi besar densitad muatan diantaranya yaitu gradient kurva dan besar ketebalan plat yang di uji, pada percabaan ini besar densitas Ge cristal 4916 lebih besar dari Ge cristal 5080 karena ukuran ketebalan Ge cristal4916 telih kecil dari Ge cristal 5080.
BAB V PENUTUP V.1 KESIMPULAN Adapun kesimpulan dari percobaan ini adalah 1. Efek hall terjadi bedasarkan gaya Lorentz, yang mengakibatkan adanya pemisahan electron bermuatan positif dan electron bermuatan negative yang menyebabkan terdapat beda potensial. 2. Beda potensial berbanding lurus dengan besaran arus 3. Densitas muatan dipengaruhi oleh tebal plat yang diuji, semakin tebal plat yang di uji semakin kecil densitas muatannya.
V.2 SARAN 1. Sebaiknya alat- alat laboratorium yang tidak layak pakai segera diperbaharui. 2. Sebaiknya kebersihan dan kenyamanan dalam laboratorium tetap dijaga dan ditingkatkan
DAFTAR PUSTAKA
Giancoli, Douglas., 1999, Fisika Jilid 2, Erlangga, Jakarta. Johannes. H., 1978, Listrik dan Magnet, Balai Pustaka, Jakarta. Sears, F. W., Zemansky, W. W, 1962, Fisika Untuk Universitas 2, terjemahan Ir. Nabris Chatib, Bina Cipta, Jakarta. --------------2011.MakalahEfekHall(http://www.scribd.com/doc/25300537/Makalah-
efekhall diakses pada tanggal 8 April 2014 ).
