LAPORAN

PRAKTIKUM EKSPERIMEN FISIKA III

PENGUKURAN TETAPAN HALL DAN RAPAT PEMBAWA MUATAN DENGAN

METODA EFEK HALL

PERCOBAAN FZP 3

DISUSUN OLEH :

Nama / No MHS : RIRIN ERNAWATI /12063

Kelompok : II

Hari / Tgl Praktikum : Rabu, 30 Maret 2011

Rekan Kerja : Intan Rindu K (11965)

Asisten : Richana Indrawati

Dosen Pembimbing : Dr. Kuwat Triyana

LABORATORIUM FISIKA ZAT PADAT

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS GADJAH MADA

YOGYAKARTA

2011

I. PENDAHULUAN

Sensor merupakan suatu alat untuk mengukur atau mendeteksi kejadian alam

seperti sesuatu yang bergerak, panas, sinar dan mengubahnya menjadi representasi

digital atau analog. Ada berbagai macam sensor yang sering digunakan, dan salah

satunya ialah sensor efek hall. Sensor efek hall adalah sensor yang digunakan untuk

mendeteksi medan magnet. Hasil keluaran dari sensor efek hall ini akan menghasilkan

sebuah tegangan yang proporsional dengan kekuatan medan magnet yang dideteksi

oleh sensor efek hall, sedang efek hall itu sendiri ialah peristiwa berbeloknya aliran

listrik (elektron) dalam pelat konduktor. Sensor efek hall banyak digunakan karena

memiliki tingkat sensitivitas yang tinggi dibanding sensor lain yang sejenis, serta

karena murah dan mudah di dapat. Maka dari itu, tujuan dari eksperimen ini

mengamati secara langsung bagaimana efek hall bisa terjadi. Serta memberikan

gambaran pemanfaatan efek Hall dalam perkembangan teknologi.

II. Tujuan

Adapun tujuan dari percobaan ini:

1. mempelajari gejala Fisika yang dinamakan “Efek Hall”

2. menentukan nilai “Tetapan Hall” dan “Rapat pembawa Muatan” dengan

metode Efek Hall.

III. Dasar teori

Adanya gaya pada muatan bergerak dalam sebuah konduktor yang berada

dalam medan magnet diperagakan dalam Efek 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.

Dalam telaah Efek Hall disini akan ditempuh pendekatan sederhana, menurut elektron

bebas klasik.

Gambar 1. Arah medan magnet

Ditinjau suatu bahan tipis tebal a yang diletakkan dalam medan magnet

serbasama Setiap muatan q mengalami gaya magnetik sebesar :

(1)

Dengan :

= gaya magnetik

= besarnya kecepatan hanyut (drift velocity) muatan-muatan didalam

bahan

Gaya magnetik selanjutnya menyebabkan terjadinya penimbunan muatan-

muatan listrik yang berbeda jenis pada kedua sisi bahan, sehingga timbul medan

transversal ( x) EH pada arah sumbu yang dinamakan “ medan hall” . Kehadiran

medan EH menimbulkan gaya listrik Fe = q EH yang berlawanan arah dengan gaya

magnetik Fm.

Dalam keadaan setimbang berlaku Fe= Fm atau

(2)

Setelah dicapai keadaan setimbang tidak terjadi lagi pembelokan muatan-

muatan listrik. Oleh karena EH bersifat serba sama maka berlaku

(3)

Dengan b adalah tinggi badan dan VH adalah beda potensial antara kedua

permukaan bahan yang menampung muatan-muatan listrik yang berlawanan tanda.

Beda potensial VH ini dinamakan “ Potensial Hall”

Kecepatan hanyut v dalam persamaan (2) dapat dinyatakan dalam arus ajeg IH

yang dapat diukur langsung. Bila nH adalah rapat pembawa muatan (jumlah pembawa

muatan persatu satuan volume bahan) dan A= ab , adalah luas penampang bahan. Dari

kaitan j= nqv dan j= IH / A , diperoleh :

(4)

Penggabungan persamaan – persamaan (2), (3) , dan (4) menghasilkan

(5)

Dengan

(6)

Adalah tetapan yang nilainya hanya bergantung pada parameter – parameter

mikroskopis bahan cuplikan. Tetapan RH ini dinamakan “ tetapan Hall” . Persamaan

(5) diatas menegaskan bahwa vH berbanding lurus dengan Bo dan IH . Kenyataan ini

mewujudkan dalam eksperimen efek Hall unutk menentukan parameter mikroskopis

bahan atau tebal cupllikan serta tetapan Hall. Percobaan ini menggunakan Bo tetap

sehingga dengan mudah mengubah- ubah besar IH dan merekam nilai VH untuk tiap

nilai IH akan memperoleh hubungan linear antara VH dengan IH dalam wujud garis

lurus. Nilai- nilai tetapan nH, RH atau tebal cuplikan dapat ditentukan dari besarnya

gradien garis lurus tersebut. Perlu perhatian bahwa persamaan (6) untuk nilai tetapan

Hall diatas adalah bersifat pendekatan. Persamaan yang lebih baik diperoleh dengan

menambahkan koreksi mobilitas zarah pembawa muatan dalam bahan bakar (Dekker,

1959 ).

IV. Metode Eksperimen

A. Alat/ Peralatan Pendukung

Unit Elektromagnet

Gaussmeter

Sumber arus DC

Voltmeter (10-5

Volt)

Cuplikan, tungsten, dan silver (perak)

Jangka sorong

B. Tata Laksana percobaan

1. Alat disusun sesuai gambar 2.

2. Cuplikan diletakkan didaerah antara kutub- kutub magnet.

3. Digunakan Gaussmeter untuk mengukur medan magnet dari kutub –

kutub magnet

4. Arus medan IB diatur dengan 4 variasi masing- masing 1A, 2A, 3A,

dan 4A.

5. Dari tiap arus IB, divariasi nilai IH dari 0 mA hingga 6,4 A dengan

kenaikan 0,8 A.

6. Perubahan nilai diamati VH untuk masing-masing arus.

7. Langkah serupa diulangi untuk IB 2A, 3A, dan 4A.

C. Analisa Data

1. Menghitung rapat pembawa muatan

(1)

(2)

(3)

Dari persamaan (1), (2), dan (3)

(4)

y m x

dengan :

EH : medan hall

VH : tegangan hall

IH : arus hall

dari grafik hubungan VH (volt) VS IH (ampere) diperoleh

Dengan ralat untuk adalah

Diperoleh

2. Menghitung tetapan hall

(5)

Dari persamaan (4) dan (5) didapatkan

y m x

dari grafik hubungan B0 (Tesla) VS VH (volt) diperoleh

Dengan ralat untuk RH adalah

Diperoleh,

V. Hasil

a. Data

IH (A) VH (x10

6 volt)

IB (1A) IB (2A) IB (3A) IB (4A)

0 18,5 11,4 8,2 6,0

0,8 22,3 15,7 10,1 9,4

1,6 23,7 17,7 12,8 11,6

2,4 25,9 19,1 14,2 14,0

3,2 28,4 26,0 16,9 15,1

4,0 29,6 28,6 20,3 19,5

4,8 33,0 30,4 24,5 21,2

5,6 66,0 31,1 28,9 24,3

6,4 67,1 32,5 30,2 28,2

Tabel 1. Data pengamatan

b. Grafik

Grafik VH Vs IH saat Ib = 1A

Grafik VH Vs IH saat Ib = 2A

Grafik VH Vs IH saat Ib = 3A

Grafik VH Vs IH saat Ib = 4A

Grafik VH Vs B0 saat IH = 1,6A

Grafik VH Vs B0 saat IH = 3,2A

Grafik VH Vs B0 saat IH = 4,8A

c. Hasil perhitungan

Grafik VH Vs IH saat Ib = 1A

m±Δm = (7,2458±1,6092)x10-6

volt/ampere

nH±Δ nH = (0,345±0,0766)x1026

elektron/m3

Grafik VH Vs IH saat Ib = 2A

m±Δm = (3,4479±0,2878)x10-6

volt/ampere

nH±Δ nH = (1,45±0,121)x1026

elektron/m3

Grafik VH Vs IH saat Ib = 3A

m±Δm = (3,6229±0,1971)x10-6

volt/ampere

nH±Δ nH = (2,07±0,113)x1026

elektron/m3

Grafik VH Vs IH saat Ib = 4A

m±Δm = (3,2958±0,12951)x10-6

volt/ampere

nH±Δ nH = (3,03±0,119)x1026

elektron/m3

Grafik VH Vs B0 saat IH = 1,6A

m±Δm = (-0,206±0,039045)x10-2

volt/T

RH±Δ RH = (-1,03±0,195)x10-7

volt m/T

Grafik VH Vs B0 saat IH = 3,2A

m±Δm = (-0,245±0,049724)x10-2

volt/T

RH±Δ RH = (-1,225±0,249)x10-7

volt m/T

Grafik VH Vs B0 saat IH = 4,8A

m±Δm = (-0,2065±0,021581)x10-2

volt/T

RH±Δ RH = (-1,032±0,108)x10-7

volt m/T

VI. PEMBAHASAN

Eksperimen pengukuran tetapan hall dan rapat pembawa muatan dengan

metoda efek hall ini bertujuan untuk mempelajari gejala fisika yang dinamakan efek

hall dan menentukan nilai tetapan hall dan rapat pembawa muatan dengan metode efek

hall.

Dari eksperimen yang telah dilakukan efek hall dapat dinyatakan sebagai

pembelokan arah arus. Efek Hall ini didasarkan pada efek medan magnetik terhadap

partikel bermuatan yang bergerak. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada pelat

konduktor, Efek Hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak

lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan

menghasilkan medan listrik. Hasil keluaran dari efek hall ini akan menghasilkan

sebuah tegangan yang proporsional dengan kekuatan medan magnet yang dideteksi.

Akibatnya, medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada

partikel menjadi nol. Hal ini akan menghasilkan perbedaan tegangan ketika pelat

konduktor dialiri arus listrik.

Perbedaan potensial antara kedua sisi pelat kondutor tersebut disebut potensial

Hall. Potensial Hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang melalui

pelat tersebut. Bila tidak ada medan magnet yang dideteksi maka arah arus listrik yang

mengalir pada pelat kondutor tersebut akan tepat ditengah – tengah dan akan

menghasilkan tegangan 0 Volt karena tidak ada beda tegangan antara elektroda

sebelah kiri dan elektroda sebelah kanan. Bila ada medan magnet yang terdeteksi

maka arah arus listrik yang mengalir pada pelat konduktor berbelok mendekati atau

menjauhi sisi elektroda yang dipengaruhi oleh medan magnet.

Dalam mencapai tujuan yang kedua praktikan menggunakan metode analisa

grafik. Grafik digunakan karena memiliki banyak keunggulan diantaranya ialah

dengan melihat sekilas saja maka pembaca akan mendapatkan berbagai informasi dari

grafik tersebut. Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan didapatkan hasil sebagai

berikut:

Saat Ib = 1A

nH±Δ nH = (0,345±0,0766)x1026

elektron/m3

Saat Ib = 2A

nH±Δ nH = (1,45±0,121)x1026

elektron/m3

Saat Ib = 3A

nH±Δ nH = (2,07±0,113)x1026

elektron/m3

Saat Ib = 4A

nH±Δ nH = (3,03±0,119)x1026

elektron/m3

Saat IH = 1,6A

RH±Δ RH = (-1,03±0,195)x10-7

volt m/T

Saat IH = 3,2A

RH±Δ RH = (-1,225±0,249)x10-7

volt m/T

Saat IH = 4,8A

RH±Δ RH = (-1,032±0,108)x10-7

volt m/T

Dari hasil ini, terlihat bahwa semakin besar nilai arus yang dimasukkan

sebagai input maka nilai tetapan rapat pembawa muatan juga akan semakin besar.

Telihat dari hasil perhitungan yang diperoleh saat nilai Ib arus 1A maka nilai tetapan

pembawa muatan bernilai paling kecil. Berbeda dengan nilai dari tetapan hall, semakin

besar nilai IH yang dimasukkan maka nilai dari tetapan hallnya semakin kecil dan ini

tidak sesuai dengan referensi sebab seharusnya tetapan hall sebanding dengan arus, hal

ini dapat terjadi karena adanya kesalahan pada pembacaan nilai V, sebab nilai v ini

selalu berubah-ubah atau tidak konstan berhenti.

Untuk tinjauan terhadap referensi, nilai tetapan hall dan nilai rapat pembawa

muatan tidak diketahui tetapnya dikarenakan tetapan ini tergantung dari jenis bahan

yang digunakan. Namun, secara umum hasil pengamatan yang telah dilakukan telah

sesuai dengan teori referensi. Yaitu, saat arus dialirkan dalam sebuah rangkaian maka

ada tegangan yang sifatnya sebanding lurus dengan arus. Dan ketika arus dilewatkan

pada bahan yang memiliki medan B , maka akan terjadi pembelokan arus akibat

perbedaan beda potensial pada bahan medan B.

VII. APLIKASI DAN PENGEMBANGAN TEKNOLOGI KEDAPAN

Aplikasi dari efek hall ini sudah digunakan sejak lama antara lain:

1) Sensor Efek Hall

Sensor efek hall adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi medan

magnet. Hasil keluaran dari sensor efek hall ini akan menghasilkan sebuah

tegangan yang proporsional dengan kekuatan medan magnet yang dideteksi oleh

sensor efek hall.

Sensor efek hall ini terdiri dari sebuah lapisan silikon yang berfungsi untuk

mengalirkan arus listrik. Sensor efek hall hanya terdiri dari sebuah lapisan silikon

dan dua buah elektroda pada masing – masing sisi dari lapisan silikon. Hal ini

akan menghasilkan perbedaan tegangan ketika lapisan silikon ini dialiri arus

listrik. Bila tidak ada medan magnet yang dideteksi maka arah arus listrik yang

mengalir pada silikon tersebut akan tepat ditengah – tengah lapisan silikon dan

akan menghasilkan tegangan 0 Volt karena tidak ada beda tegangan antara

elektroda sebelah kiri dan elektroda sebelah kanan.Bila ada medan magnet yang

terdeteksi oleh sensor efek hall maka arah arus listrik yang mengalir pada lapisan

silikon akan berbelok mendekati atau menjauhi sisi elektroda yang dipengaruhi

oleh medan magnet.

Ketika arus yang melalui lapisan silikon tersebut mendekati sisi elektroda

sebelah kiri maka akan terjadi beda potensial pada hasil keluarannya. Semakin

besar kekuatan medan magnet yang dideteksi oleh sensor efek hall akan

menyebabkan pembelokan arah arus listrik pada lapisan silikon tersebut juga akan

semakin besar dan beda potensial yang dihasilkan di antara kedua sisi elektroda

pada lapisan silikon sensor efek hall juga akan semakin besar.

Arah pembelokan arus listrik pada lapisan silikon ini dapat digunakan untuk

mengetahui atau mengidentifikasi polaritas atau kutub medan magnet pada sensor

efek hall. Sensor efek hall ini dapat bekerja jika hanya salah satu sisi elektroda

pada sensor efek hall dipengaruhi oleh medan magnet. Jika kedua sisi silikon

dipengaruhi oleh medan magnet maka arah arus listrik pada lapisan silikon tidak

akan mengalami pembelokan.

Aplikasi utama sensor efek Hall adalah sebagai sensor posisi dan kecepatan

baik linier maupun anguler, dan untuk pengukuran arus listrik tanpa kontak.

Kelebihan dari sensor efek Hall adalah struktur yang simpel dan karakteristik

yang bagus dalam teknologi fabrikasi mikro. Divais Hall mudah difabrikasi

dengan teknologi CMOS dan pengkondisi sinyal elektronik dapat langsung

diintegrasikan dengan divais Hall. Kekurangan sensor ini adalah nilai tegangan

offset yang tinggi pada keluaran divais. Penyebab offset ini adalah geometri non-

simetrik dari divais karena lapisan yang tidak lurus pada proses fabrikasi, defek

permukaan, dan variasi hambatan kontak. Nilai dari tegangan offset juga

dipengaruhi oleh suhu dan stress divais.

2) Magnetometer

Yang umum magnetik alat indera kebanyakan sensor efek hall. Sensor ini

menghasilkan tegangan sebanding dengan medan magnet diterapkan dan juga

polaritas akal.

Sebuah magnetometer juga telah dibuat untuk menentukan karakteristik

magnetik bahan magnet dan bahan superkonduktor. Magnetometer yang dibuat

terdiri dari pembangkit intensitas medan magnet H dan pengukur induksi medan

magnet B. Pembangkit intensitas medan magnet H untuk pengukuran bahan

magnet berupa solenoida berinti besi dan untuk bahan super konduktor berupa

solenoida inti udara. Sumber arus mampu memberi arus untuk pembangkit

magnet sebesar 54.000 Amp/m.

3) Karakterisasi sensor Efek Hall UGN 3503 dan tahapan pembuatan alat ukur

massa

Menggunakan Efek Hall atau memanfaatkan efek magnetoresistans. Pada

perkembangannya. Sensor magnetik diaplikasikan dalam berbagai bidang antara

lain industri, rumah tangga, kesehatan, pendidikan dan masih banyak lagi bidang

aplikasi yang lain. Hal ini disebabkan adanya kecenderungan penggunaan sensor

magnetik yang mempunyai banyak kelebihan antara lain: linieritas dan kestabilan

yang tinggi, tidak merusak (nondestruktif), sensitivitas terhadap arah yang tinggi,

reliable, relatif sederhana dan biaya operasi yang murah, sehingga ada tendensi

dari manusia untuk menggunakan sensor tersebut.

Di sisi lain, pengukuran massa sebuah benda memiliki essensi yang tinggi

dalam kehidupan sehari-hari, misalnya pada pengukuran massa sebuah jasa

pengiriman surat, pengukuran massa bahan-bahan kimia, untuk membuat

komposisi reaksi kimia di bidang industry kimia, untuk pengukuran komposisi

bahan pada perusahaan makan dan masih banyak essensi yang lain. Pembuatan

alat pengukur massa dapat dilakukan dengan memanfaatkan sensor misalnya

aplikasi sensor pergeseran linier (LVDT) sebagai pengukur massa berbasis

mikrokontroler. Dari permasalahan di atas, maka dilakukan penelitian tentang

sensor magnetik Efek Hall dalam aplikasinya untuk pengukuran massa.

Dalam mengaplikasikan sensor sebagai pengukur massa, maka variable

yang menjadi subyek adalah massa. Perancangan dan realisasi rangkaian

pendukung sistem meliputi desain perangkat mekanik, rangkaian sensor efek Hall,

rangkaian penguat selisih, rangkaian pengubah analog ke digital (ADC), system

minimum mikrokontroler dan rangkaian penampil seven segment.

4) Beberapa jenis motor listrik DC brushless menggunakan sensor efek Hall untuk

mendeteksi posisi rotor dan pakan informasi ke motor controller. This allows for

more precise motor control. Hal ini memungkinkan untuk mengontrol motor yang

lebih tepat.

5) Efek Hall aplikasi untuk merasakan juga telah diperluas untuk aplikasi industri,

yang sekarang menggunakan Efek Hall Joysticks untuk mengontrol katup

hidrolik, menggantikan tuas mekanis tradisional. Such applications include;

Mining Trucks, Backhoe Loaders, Cranes, Diggers, Scissor Lifts, etc. Aplikasi ini

meliputi; Pertambangan Truk, Backhoe Loader, Cranes, Diggers, Scissor Lift, dll

VIII. KESIMPULAN

Berdasarkan tujuan eksperimen, dapat disimpulkan :

Efek Hall adalah efek berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat

konduktor karena pengaruh medan magnet. Kejadiannya mengikuti hukum

“tangan kanan” atau Gaya Lorentz mengenai interaksi arah medan magnet

dengan arah arus listrik. Dari pembelokan muatan elektron tersebut terjadi

akumulasi di salah satu bagian material (sampel) sehingga menimbulkan beda

potensial yang disebut dengan tegangan Hall. Semakin besar kekuatan medan

magnet yang dideteksi oleh sensor efek Hall akan menyebabkan pembelokan

arah arus listrik akan semakin besar dan beda potensial yang dihasilkan di

antara kedua sisi elektroda pelat konduktor sensor efek Hall juga akan semakin

besar. Tegangan Hall berbanding lurus dengan Arus Hall dan medan magnet.

Efek Hall telah banyak dimanfaatkan dalam teknologi sekarang, dan

pemanfaatan yang paling banyak digunakan yaitu sensor Hall.

Hasil perhitungan pada eksperimen ini

Saat Ib = 1A

nH±Δ nH = (0,345±0,0766)x1026

elektron/m3

Saat Ib = 2A

nH±Δ nH = (1,45±0,121)x1026

elektron/m3

Saat Ib = 3A

nH±Δ nH = (2,07±0,113)x1026

elektron/m3

Saat Ib = 4A

nH±Δ nH = (3,03±0,119)x1026

elektron/m3

Saat IH = 1,6A

RH±Δ RH = (-1,03±0,195)x10-7

volt m/T

Saat IH = 3,2A

RH±Δ RH = (-1,225±0,249)x10-7

volt m/T

Saat IH = 4,8A

RH±Δ RH = (-1,032±0,108)x10-7

volt m/T

IX. PUSTAKA

Staff Lab.Zadat Fisika, Buku penuntun Praktikum eksperimen Fisika III, Yogyakarta,

Laboratorium Fisika Zat Padat Fakultas MIPA UGM

www.google.com. Coretan Tangan: Sensor Efek Hall Posted By Agung Setiadi On

Minggu, April 03, 2011

http:/Karekteristik_Sensor_Magnetik_Efek_Hall_UGN3503_Terhadap_Sumber_Mag

net_dan_Iplementasinya_pada_Pengukuran_Massa.pdf .1 September 2005.

Diakses pada Minggu, 3 April 2011 1.40

file://localhost/D:/efek%20hall/Sensor%20Efek%20Hall%20«%20this%20my%20not

es…….!!!!!.htm.Minggu, 27 Januari 2010. Diakses pada Minggu, 3 April 2011

file://localhost/D:/efek%20hall/hall/sensor-efek-hall.html.Minggu, 10 Januari 2010.

Diakses pada Minggu, 3 April 2011

http://www.total.or.id/info.php?kk=sensor

Lampiran

Perhitungan

1. Grafik 1

m = 7,2458 x 10-6

v/A

Δm = 1,6092 x 10-6

v/A

2. Grafik 2

m = 3,4479 x 10-6

v/A

Δm = 0,2878 x 10-6

v/A

3. Grafik 3

m = 3,6229 x 10-6

v/A

Δm =0,1971 x 10-6

v/A

4. Grafik 4

m = 3,2958 x 10-6

v/A

Δm =0,12951 x 10-6

v/A

5. Grafik 5

m = -0,206 x 10-2

v/T

Δm =0,039045 x 10-2

v/T

6. Grafik 6

m = -0,245 x 10-2

v/T

Δm =0,049724 x 10-2

v/T

7. Grafik 7

m = -0,2065 x 10-2

v/T

Δm =0,021581 x 10-2

v/T