Praktikum: Der Hall-Effekt bei dem Halbleiter Germanium

Arbeitsauftrag

Der Doppelschichtkondensator mit angelöteten Kupferdrähten.
Links die Markierung des Minus-Pols.

1) Im ersten theoretischen Teil des Praktikums geht es darum einige mathematische und physikalische Zusammenhänge zu klären.

2) Im zweiten Teil sollen mit Hilfe des Hall-Effektes einige Eigenschaften von Germanium gemessen werden:

a) Das Vorzeichen der Ladungsträger von Germanium

b) Die Hall-Konstante von Germanium

c) Die Ladungsträgerdichte von Germanium

d) Die Geschwindigkeit der Ladungsträger im Germanium

1) Begründe mit Hilfe passender Formeln

Die Hallspannung ist groß, wenn:

die Stromstärke [math]I[/math] groß ist,
die Dicke [math]d[/math] des Leiters gering ist,
die Geschwindigkeit [math]v[/math] der Ladungsträger hoch ist,
die Ladungsträgerdichte [math]\rho_N[/math] gering ist

2) Messen des Hall-Effektes: Zur quantitativen Untersuchung des Hall-Effektes benötigt man ein Magnetfeld einer bekannten Feldstärke [math]H[/math] bzw. Flußdichte [math]B[/math]. Messt daher zunächst die Flußdichte des Magneten mit Hilfe der Hall-Sonde.

Laden Sie den Kondensator auf, indem Sie ihn direkt an die Batterie halten. (AUF DIE POLUNG ACHTEN!) Betreiben Sie mit dem Kondensator die LED oder das Glühlämpchen.

Notieren Sie Ihre Beobachtungen.; Erklären Sie Ihre Beobachtungen mit Hilfe eines Vergleichs zu einem aufgepumptem Fahrradreifen.
Messen Ladevorgangs

Bauen Sie den Stromkreis nach dem Schaltplan oder dem Vorbild auf.
Laden Sie einen vorher vollständig entladenen Kondensator mit einer Batterie auf.

Messen Sie während des Ladevorgangs die Spannung am Kondensator und den Ladestrom und tragen Sie Ihre Ergebnisse in eine Tabelle ein. Zu Beginn des Ladevorgangs ist es sinnvoll in kurzen Abständen zu messen, später reichen größere Zeitabstände. Der Kondensator gilt als geladen, wenn die Stärke des Ladestroms weniger als 5 mA beträgt.

Zeit     t in sec  | 0 | 2 | 4 | 6 | ... 
Spannung    U in V |   |   |   |   | ...
Stromstärke I in A |   |   |   |   | ...

Erstellen Sie jeweils ein Diagramm des Spannungs und Stromstärkeverlaufs über die Zeit.
Berechnen Sie mit Hilfe der Integration des Stromstärkeverlaufs den Verlauf der Ladung über die Zeit.
Erstellen Sie ein Diagramm der Spannung über die Ladung.

Berechnen Sie daraus die in den Kondensator hineingeflossene Energie. (Siehe Energie und Potential)

Messen des Entladevorgangs

Entladen Sie den Kondensator, indem Sie das Lämpchen betreiben.

Messen Sie während des Entladevorgangs wieder die Spannung und die Stromstärke:

Zeit     t in sec  | 0 | 2 | 4 | 6 | ... 
Spannung    U in V |   |   |   |   | ...
Stromstärke I in A |   |   |   |   | ...

Erstellen Sie jeweils ein Diagramm des Spannungs und Stromstärkeverlaufs über die Zeit.
Berechnen Sie mit Hilfe der Integration des Stromstärkeverlaufs den Verlauf der Ladung über die Zeit.
Erstellen Sie ein Diagramm der Spannung über die Ladung.

Bestimmen Sie aus dem U-Q-Diagramm die Menge der über die Lampe abgegebenen Energie.

Material: Flachbatterie, Kroko-Kabel, Doppelschicht-Kondensator (5,5V/1F), LED, Lämpchen (4V/40mA), zwei Multimeter, Steckbrett, 4 Kabel, einige Steckverbindungen, 4 Verbindungsstangen mit Krokoklemmen, eine Stoppuhr,

Aufbau

ACHTUNG! Das Stromstärkemessgerät NIE direkt an die Spannungsquelle anschließen!

Sonst brennt die Sicherung durch.

Der Ladevorgang:
Man klemmt die Batterie an.
Der Kondensator betreibt das Lämpchen:
Man klemmt die Batterie ab und ersetzt sie durch einen Verbindungsstecker.
Das elektrische Potential während des Ladevorgangs. Ohne den Widerstand des Lämpchens würde das Potential nur innerhalb des Kondensators abfallen und wäre nicht messbar.
Während des Entladens gibt es nur zwei Potentialgebiete.