Makalah Medan Magnet dan Efek Hall
MAKALAHFISIKA ZAT PADAT
MEDAN MAGNET DAN EFEK HALL
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA
A. MEDAN MAGNET
Medan magnet adalah ruang di sekitar magnet dimana jika benda-benda lain yang
diletakkan dalam ruangan magnet tersebut akan mengalami gaya magnetik. Gaya magnetik
dapat ditimbulkan oleh benda-benda yang bersifat magnetik dan arus listrik yang bergerak.
Medan magnetik dapat digambarkan dengan garis-garis khayal yang dinamakan dengan
garis-garis medan atau garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara masuk ke kutub selatan,
kutub yang sejenis akan tolak-menolak dan yang berlawanan jenis akan tarik menarik.
Ada tiga aturan yang berlaku pada garis medan magnet yaitu:
1. Garis-garis medan magnet tidak pernah saling berpotongan.
2. Garis-garis medan magnet selalu mengarah radial keluar menjauhi kutub utara
dan radial ke dalam masuk ke kutub selatan.
3. Tempat dimana garis-garis medan magnetik rapat menentukan medan
magnetiknya kuat, sebaliknya tempat dimana garis medan magnetiknya
renggang menyatakan kuat medannya lemah
Besar medan magnetik dinyatakan dengan kuat medan magnetik. Kuat medan magnetik yang
ditimbulkan oleh arus listrik di suatu titik disebut induksi magnetik (B) yang besarnya:
1. Sebanding dengan kuat arus listrik (I).
2. Sebanding elemen panjang penghantar (dl).
3. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antar titik itu ke elemen penghantar (dl).
4. Sebanding dengan sinus sudut apit sinθ melalui elemen penghantar dl dan garis
penghubung titik itu ke elemen penghantar dl, dikenal dengan hukum Biot–Savart.
Persamaan Biot-Savart dirumuskan sebagai berikut
B. GAYA MAGNET
Gambar 1. Aliran arus pada pita alumunium foil
Jika arus listrik mengalir dari A ke B ternyata pita dari alumunium foil melengkung
ke atas , ini berarti ada sesuatu gaya yang berarah keatas akibat adanya medan magnet
homogen dari utara ke selatan. Gaya ini selanjutnya disebut sebagai gaya magnetic
atau gaya Lorentz . Jika arus listrik dibalik sehingga mengalir dari B ke A, ternyata pita dari
alumunium foil melengkung ke bawah. Jika arus listrik diperbesar maka alumunium foil akan
melengkung lebih besar. Ini berarti besar dan arah gaya Lorentz tergantung besar dan arah
arus
listrik.
Karena gaya Lorentz ( FL ) , arus listrik ( I ) dan medan magnet ( B ) adalah besaran vector
maka peninjauan secara matematik besar dan arah gaya Lorentz ini hasil perkalian vector (
cros-product ) dari I dan B.
Fma gnet ILxB
Gambar 2. Ilustrasi Medan dan Gaya Magnet
Besarnya gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus
FL = I.B sinθ
Rumus ini berlaku untuk panjang kawat 1 meter.
Perhitungan diatas adalah gaya Lorentz yang mempengaruhi kawat tiap satuan panjang. Jadi
jika panjang kawat = ℓ , maka besar gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus :
FL = I. ℓ. B. Sin θ
FL = gaya Lorentz dalam newton ( N )
I = kuat arus listrik dalam ampere ( A )
ℓ = panjang kawat dalam meter ( m )
B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
θ = sudut antara arah I dan B
Dari rumus di atas ternyata jika besar sudut θ adalah :
Θ =90o , arah arus listrik dan medan magnet ( I dan B ) saling tegak lurus maka FL mencapai
maksimum
Θ = 0o , arah arus listrik dan medan magnet ( I dan B ) saling sejajar maka FL = 0 atau kawat
tidak dipengaruhi gaya Lorentz
C. SEJARAH 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 diletakan 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
tehadap pelat. Walaupun eksperimen Hall berhasil dan dapat diterima pada saat itu, belum
ada aplikasi yang menggunakan efek hall sampai 70 tahun setelahnya.
Efek hall adalah suatu peristiwa berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat
konduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Ketika ada arus listrik yang mengalir
pada devais 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. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada partikel
menjadi sama dengan nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi devais tersebut disebut
potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang
melalui devais. Berarti dalam menentukan besar potensial hall sangatlah bergantung pada
besarnya medan magnet yang mengalir dalam rapat arus I yang dilewatkan dalam bahan
konduktor.
Konstanta hall pada setiap bahan akan berbeda termasuk pada perak dan wolfram,
konstanta hallnya akan berbeda. Dan adapun yang menyebabkan harga konstanta hall perak
dan wolfram berbeda adalah karena jenis pembawa muatan yang berbeda, jika perak jenis
pembawa muatannya adalah positif (hole) sedangkan wolfram jenis pembawa muatan negatif
(elektron).
Gaya pada muatan bergerak dalam sebuah konduktor yang berada dalam medan
magnet diperagakan oleh efek hall yakni sebuah efek yang analog dengan pembelokan
transversal dari sebuah sinar elektron dalam sebuah medan magnet dalam ruang hampa.
Instrumen Efek Hall merupakan instrumen fisika yang sangat diperlukan dalam
pengembangan material. Dewasa ini sedang marak dilakukan usaha dalam rangka
mendapatkan material yang bersifat baik bahkan super baik. Misalnya pengembangan
material superkonduktor dan material semikonduktor. Dengan instrumen Efek Hall dapat
diketahui sifat-sifat listrik (electrical properties) material tersebut diantaranya tipe konduktor,
resitivitas, mobilitas, dan konsentrasi carrier.
Dengan mengetahui sifat listrik terutama material semikonduktor yang baru
ditumbuhkan (growth), maka dapat disimpulkan bahwa materi tersebut 2 secara listrik baik
atau tidak baik. Material semikonduktor yang mempunyai mobilitas tinggi dengan
konsentrasi carrier yang rendah baik untuk dimanfaatkan dalam devais elektronik dan atau
optoelektronik. Salah satu cara yang sederhana untuk mengetahui besaran listrik ini adalah
melelui Efek Hall (Griffith, 1980).
Instrumen Efek Hall seharusnya dimiliki oleh semua laboratorium fisika sekolah dan
perguruan tinggi meskipun laboratorium tidak sedang melakukan riset pengembangan
material. Siswa atau mahasiswa dapat menggunakan instrumen ini untuk melakukan
percobaan pengukuran konsentrasi carrier dalam bahan-bahan logam terhadap variabelvariabel seperti: temperatur, pemanasan (annealing), tekanan pada material, dan sebagainya.
Sayangnya tidak semua laboratorium fisika terutama di daerah memiliki instrumen ini. Jika
ada, maka instrumen ini dibeli dari pabrik (mungkin luar negri), sehingga harganya relatif
mahal.
D. Prinsip Kerja Efek Hall
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 pada peristiwa tersebut
dikenal sebagai Potensial Hall ( VH ).
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 :
F qv B
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 :
VH E H d vBd
IBRH
t
Dengan,
RH
I
nq
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 :
E. Efek Hall Pada Semikonduktor
Bahan konduktor adalah bahan yang sangat baik dalam menghantarkan aliran listrik.
semikonduktor yaitu bahan yang memiliki konduktivitas listrik diantara isolator dan
konduktor. Bahan semikonduktor dapat bersifat konduktor pada temperature ruangan tetapi
menjadi isolator saat temperatur sangat rendah. Hal ini karena ketika bahan semikonduktor
berada pada suhu yang tinggi, maka muatan negatip (elektron) pada kulit terluar akan
terbebas dari ikatan atomnya. Sehingga ada kekosongan elektron (hole) yang dianggap
sebagai muatan positip. Muatan negatip dan muatan positip inilah yang disebut pembawa
muatan. Pembawa muatan juga besaran fisis yang lain dari bahan semikoduktor.
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
DAFTAR PUSTAKA
http://fisika12.blogspot.co.id/2010/08/gaya-magnetik.html
http://anma13.blogspot.co.id/2010/06/efek-hall-hall-effect.html
http://fisika-info.blogspot.co.id/2015/12/efek-hall.html
http://nasrifiuin.blogspot.co.id/2013/05/efek-hall.html
https://www.academia.edu/23221813/_EFEK_HALL_?auto=download
MEDAN MAGNET DAN EFEK HALL
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA
A. MEDAN MAGNET
Medan magnet adalah ruang di sekitar magnet dimana jika benda-benda lain yang
diletakkan dalam ruangan magnet tersebut akan mengalami gaya magnetik. Gaya magnetik
dapat ditimbulkan oleh benda-benda yang bersifat magnetik dan arus listrik yang bergerak.
Medan magnetik dapat digambarkan dengan garis-garis khayal yang dinamakan dengan
garis-garis medan atau garis-garis gaya yang keluar dari kutub utara masuk ke kutub selatan,
kutub yang sejenis akan tolak-menolak dan yang berlawanan jenis akan tarik menarik.
Ada tiga aturan yang berlaku pada garis medan magnet yaitu:
1. Garis-garis medan magnet tidak pernah saling berpotongan.
2. Garis-garis medan magnet selalu mengarah radial keluar menjauhi kutub utara
dan radial ke dalam masuk ke kutub selatan.
3. Tempat dimana garis-garis medan magnetik rapat menentukan medan
magnetiknya kuat, sebaliknya tempat dimana garis medan magnetiknya
renggang menyatakan kuat medannya lemah
Besar medan magnetik dinyatakan dengan kuat medan magnetik. Kuat medan magnetik yang
ditimbulkan oleh arus listrik di suatu titik disebut induksi magnetik (B) yang besarnya:
1. Sebanding dengan kuat arus listrik (I).
2. Sebanding elemen panjang penghantar (dl).
3. Berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r) antar titik itu ke elemen penghantar (dl).
4. Sebanding dengan sinus sudut apit sinθ melalui elemen penghantar dl dan garis
penghubung titik itu ke elemen penghantar dl, dikenal dengan hukum Biot–Savart.
Persamaan Biot-Savart dirumuskan sebagai berikut
B. GAYA MAGNET
Gambar 1. Aliran arus pada pita alumunium foil
Jika arus listrik mengalir dari A ke B ternyata pita dari alumunium foil melengkung
ke atas , ini berarti ada sesuatu gaya yang berarah keatas akibat adanya medan magnet
homogen dari utara ke selatan. Gaya ini selanjutnya disebut sebagai gaya magnetic
atau gaya Lorentz . Jika arus listrik dibalik sehingga mengalir dari B ke A, ternyata pita dari
alumunium foil melengkung ke bawah. Jika arus listrik diperbesar maka alumunium foil akan
melengkung lebih besar. Ini berarti besar dan arah gaya Lorentz tergantung besar dan arah
arus
listrik.
Karena gaya Lorentz ( FL ) , arus listrik ( I ) dan medan magnet ( B ) adalah besaran vector
maka peninjauan secara matematik besar dan arah gaya Lorentz ini hasil perkalian vector (
cros-product ) dari I dan B.
Fma gnet ILxB
Gambar 2. Ilustrasi Medan dan Gaya Magnet
Besarnya gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus
FL = I.B sinθ
Rumus ini berlaku untuk panjang kawat 1 meter.
Perhitungan diatas adalah gaya Lorentz yang mempengaruhi kawat tiap satuan panjang. Jadi
jika panjang kawat = ℓ , maka besar gaya Lorentz dapat dihitung dengan rumus :
FL = I. ℓ. B. Sin θ
FL = gaya Lorentz dalam newton ( N )
I = kuat arus listrik dalam ampere ( A )
ℓ = panjang kawat dalam meter ( m )
B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T )
θ = sudut antara arah I dan B
Dari rumus di atas ternyata jika besar sudut θ adalah :
Θ =90o , arah arus listrik dan medan magnet ( I dan B ) saling tegak lurus maka FL mencapai
maksimum
Θ = 0o , arah arus listrik dan medan magnet ( I dan B ) saling sejajar maka FL = 0 atau kawat
tidak dipengaruhi gaya Lorentz
C. SEJARAH 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 diletakan 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
tehadap pelat. Walaupun eksperimen Hall berhasil dan dapat diterima pada saat itu, belum
ada aplikasi yang menggunakan efek hall sampai 70 tahun setelahnya.
Efek hall adalah suatu peristiwa berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat
konduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Ketika ada arus listrik yang mengalir
pada devais 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. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada partikel
menjadi sama dengan nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi devais tersebut disebut
potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang
melalui devais. Berarti dalam menentukan besar potensial hall sangatlah bergantung pada
besarnya medan magnet yang mengalir dalam rapat arus I yang dilewatkan dalam bahan
konduktor.
Konstanta hall pada setiap bahan akan berbeda termasuk pada perak dan wolfram,
konstanta hallnya akan berbeda. Dan adapun yang menyebabkan harga konstanta hall perak
dan wolfram berbeda adalah karena jenis pembawa muatan yang berbeda, jika perak jenis
pembawa muatannya adalah positif (hole) sedangkan wolfram jenis pembawa muatan negatif
(elektron).
Gaya pada muatan bergerak dalam sebuah konduktor yang berada dalam medan
magnet diperagakan oleh efek hall yakni sebuah efek yang analog dengan pembelokan
transversal dari sebuah sinar elektron dalam sebuah medan magnet dalam ruang hampa.
Instrumen Efek Hall merupakan instrumen fisika yang sangat diperlukan dalam
pengembangan material. Dewasa ini sedang marak dilakukan usaha dalam rangka
mendapatkan material yang bersifat baik bahkan super baik. Misalnya pengembangan
material superkonduktor dan material semikonduktor. Dengan instrumen Efek Hall dapat
diketahui sifat-sifat listrik (electrical properties) material tersebut diantaranya tipe konduktor,
resitivitas, mobilitas, dan konsentrasi carrier.
Dengan mengetahui sifat listrik terutama material semikonduktor yang baru
ditumbuhkan (growth), maka dapat disimpulkan bahwa materi tersebut 2 secara listrik baik
atau tidak baik. Material semikonduktor yang mempunyai mobilitas tinggi dengan
konsentrasi carrier yang rendah baik untuk dimanfaatkan dalam devais elektronik dan atau
optoelektronik. Salah satu cara yang sederhana untuk mengetahui besaran listrik ini adalah
melelui Efek Hall (Griffith, 1980).
Instrumen Efek Hall seharusnya dimiliki oleh semua laboratorium fisika sekolah dan
perguruan tinggi meskipun laboratorium tidak sedang melakukan riset pengembangan
material. Siswa atau mahasiswa dapat menggunakan instrumen ini untuk melakukan
percobaan pengukuran konsentrasi carrier dalam bahan-bahan logam terhadap variabelvariabel seperti: temperatur, pemanasan (annealing), tekanan pada material, dan sebagainya.
Sayangnya tidak semua laboratorium fisika terutama di daerah memiliki instrumen ini. Jika
ada, maka instrumen ini dibeli dari pabrik (mungkin luar negri), sehingga harganya relatif
mahal.
D. Prinsip Kerja Efek Hall
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 pada peristiwa tersebut
dikenal sebagai Potensial Hall ( VH ).
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 :
F qv B
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 :
VH E H d vBd
IBRH
t
Dengan,
RH
I
nq
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 :
E. Efek Hall Pada Semikonduktor
Bahan konduktor adalah bahan yang sangat baik dalam menghantarkan aliran listrik.
semikonduktor yaitu bahan yang memiliki konduktivitas listrik diantara isolator dan
konduktor. Bahan semikonduktor dapat bersifat konduktor pada temperature ruangan tetapi
menjadi isolator saat temperatur sangat rendah. Hal ini karena ketika bahan semikonduktor
berada pada suhu yang tinggi, maka muatan negatip (elektron) pada kulit terluar akan
terbebas dari ikatan atomnya. Sehingga ada kekosongan elektron (hole) yang dianggap
sebagai muatan positip. Muatan negatip dan muatan positip inilah yang disebut pembawa
muatan. Pembawa muatan juga besaran fisis yang lain dari bahan semikoduktor.
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
DAFTAR PUSTAKA
http://fisika12.blogspot.co.id/2010/08/gaya-magnetik.html
http://anma13.blogspot.co.id/2010/06/efek-hall-hall-effect.html
http://fisika-info.blogspot.co.id/2015/12/efek-hall.html
http://nasrifiuin.blogspot.co.id/2013/05/efek-hall.html
https://www.academia.edu/23221813/_EFEK_HALL_?auto=download