물리학실험 | Hall Effect & Helmholtz Coil

 

 

 

TIP

 

 

1. Hall 효과와 이를 측정할 수 있는 방법에 대해 이해한다.
2. Hall 효과를 통해서 시료의 전하 운반자의부호와 밀도를 측정하고, 이를 통해 n-type과 p-type반도체에 대해서 이해한다.
3. Hall 효과를 통해서 자기장을 측정할 수 있는 방법을 논의하고 그 한계점에 대해 논의 할 수 있다.

 

 

 

실험 방법

1. Hall Effect

1) Hall effect 실험 세트를 설치한다. 전자석 사이에 시료와 gaussmeter를 설치하고 전 자석에 constant current power supply를, 시료에 Hall effect set-up을 연결한다.

 

2) 이때 시료에 한 방향으로는 전류를 흘려주면서 다른 한 방향으로는 그 때의 전압을 측정하게 된다. 시료와Hall effect set-up을 연결하는 방법은 Hall effect의 원리를 이 용하면 아래의 그림과 같다. 어떠한 이유에서 이러한 방식으로 연결하여 측정하게 되는지 보고서에 서술하도록 하자. Hall Measurement, 이때 시료의 두께는 0.5 ㎜이고, 가로와 세로 폭은 시료에 따라 차이가 있기에 직접 측정하도록 한다.

 

3) 장비가 모두 설치되었다면 우선 전자석 사이에 gaussmeter만 두고 전류에 따라 전 자석 사이에 발생하는 자기장의 세기를 측정한다. 여기서 전류를 10가지 정도로 변화시키면서 그 때의 자기장을 측정한다. 이를 통해 전자석에 흐르는 전류와 자기장의 세기 사이의 관계를 알아본다. 이때 전자석에 흘려주는 전류는 최대 1.5 A로 설정한 다. 전류뿐만 아니라 전자석에 부착된 철심 사이의 거리를 조절하여 자기장의 세기를 조절할 수도 있다. 주의할 점은 전류를 흘려주기 전에 gaussmeter의 영점을 조절해 야 한다는 것이다. 이 실험을 통하여 솔레노이드에서 전류와 자기장의 관계를 알아보 고, 솔레노이드에서 철심의 역할이 무엇인지에 대해서도 알아보도록 한다.

 

4) 다시 전자석 사이에 시료를 설치한다. 자기장이 0인 상태에서 시료에 전류를 흘려줄 때에 전압을 측정한다. 이때 시료에 흘려주는 전류를 10가지로 변화시키면서 그때의 전압을 측정하도록 한다. 이 실험을 통해 Hall 측정 시 적절한 전류값을 정하자. 이때 적절한 전류값이란 전류-전압의 관계가 선형적으로 나타나는 범위 안에 있는 것을 의미한다.

 

5) 전류를 적절한 값으로 고정한 후에 자기장의 세기를 30가지 경우로 변화시키면서 전압을 측정한다.

 

6) 시료를 교체하여 4)와 5)의 과정을 반복한다. 측정한 데이터를 통해Hall 계수와 전하 운반자 밀도를 구하여본다. 이 실험을 통하여 시료의 종류와 전하 운반자 밀도를 알 수 있다.

 

7) 앞의 실험 과정들을 이용하여 gaussmeter가 없다고 가정하였을 때 실험 시 사용한 시료를 이용하여 자기장을 측정할 수 있는 방법이 무엇인지 알아보고 그러한 방법으로 자기장을 측정하였을 경우와 gaussmeter로 자기장을 측정하였을 경우를 비교해 보자. 실제로 gaussmeter를 제거하고 임의의 자기장을 가해준 상태에서 시료를 통해 측정해본 후에 다시 gaussmeter를 설치하여 자기장을 측정하는 실험을3가지 경우 정도로 수행해보도록 하자. 이때 시료에 관한 정보는 앞에서 측정하여 얻은 데이터 들을 이용하도록 한다.

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2. Helmholtz Coil

1) Helmholtz coil 실험 세트를 설치한다. 이때 두 코일에 흘려주는 전류의 방향이 동 일하도록 코일과 power supply를 연결해야 한다. (마찬가지로 gaussmeter의 영점을 맞추어야 한다)

 

2) Gaussmeter로 자기장을 측정할 때 어느 방향을 측정하는지를 확인한 후 측정해야 한다. 왜냐하면 이 gaussmeter는 앞의 Hall 효과 실험에서 사용한 probe와 달리 두 축의 자기장을 측정할 수 있기 때문에 확인하지 않으면 측정이 잘못될 수 있기 때문이다.

 

3) 코일의 반지름을 측정하고 이를 토대로 두 코일 사이의 자기장의 세기가 균일하게 유지되도록 하는 두 코일 사이의 거리를 계산해본다.

 

4) 앞에서 계산한 두 코일 사이의 거리를 토대로 그 거리와 그 거리보다 작거나 큰 경 우에 대해서 두 코일 사이의 자기장의 세기를 측정하도록 한다. 코일 사이의 거리는 총5가지 경우로 설정하도록 하고, 두 코일 사이의 자기장의 세기를 측정할 때는 두 코일 사이의 중심을 기준으로 하여 자기장을 측정하는 위치를 1㎝ 간격으로 설정하 도록 한다. (예를 들어, 두 코일 사이의 거리가 8 ㎝라고 할 때 두 코일 사이의 중심을 0 ㎝라고 설정하고-4, -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3, 4 ㎝에서 자기장의 세기를 측정한다)

 

5) 코일에 가해주는 전류의 세기를 다르게 하여 앞의 과정 중 두 코일 사이에서 자기장 이 일정하게 유지된 경우만 선택하여 동일한 실험을 반복한다.

 

6) 헬름홀츠 코일을 이용하여 지구 자기장을 상쇄시킬 수 있는 방법에 대해 논의해보자.

 

 

[물리학실험]Hall Effect & Helmholtz Coil 레포트