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Aufgabe

HALL-Spannung - Formelumstellung

Schwierigkeitsgrad: leichte Aufgabe

Um Aufgaben rund um die Berechnung der HALL-Spannung zu lösen musst du häufig die Gleichung \(U_{\rm{H}} = R_{\rm{H}} \cdot \frac{I \cdot B}{d} \) nach einer Größe, die unbekannt ist, auflösen. Wie du das machen kannst zeigen wir dir in der folgenden Animation.

Die Gleichung\[{\color{Red}{{U_{\rm{H}}}}} = {{R_{\rm{H}}}} \cdot \frac{{{I}} \cdot {{B}}}{{{d}}}\]ist bereits nach \({\color{Red}{{U_{\rm{H}}}}}\) aufgelöst. Du brauchst also keine Umformungen durchzuführen.
Um die Gleichung\[{{U_{\rm{H}}}} = {\color{Red}{{R_{\rm{H}}}}} \cdot \frac{ {{I}} \cdot {{B}}}{{{d}}}\]nach \({\color{Red}{{R_{\rm{H}}}}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.\[{\color{Red}{{R_{\rm{H}}}}} \cdot \frac{ {{I}} \cdot {{B}}}{{{d}}} = {{U_{\rm{H}}}}\]
Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \({{d}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzt sich \({{d}}\) weg.\[{\color{Red}{{R_{\rm{H}}}}} \cdot {{I}} \cdot {{B}} = {{U_{\rm{H}}}}\cdot {{d}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{I}} \cdot {{B}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzen sich \({{I}}\) und \({{B}}\) weg.\[{\color{Red}{{R_{\rm{H}}}}} = \frac{{{U_{\rm{H}}}}\cdot {{d}}}{{{I}} \cdot {{B}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{R_{\rm{H}}}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{U_{\rm{H}}}} = {{R_{\rm{H}}}} \cdot \frac{{\color{Red}{{I}}} \cdot {{B}}}{{{d}}}\]nach \({\color{Red}{{I}}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.\[{{R_{\rm{H}}}} \cdot \frac{{\color{Red}{{I}}} \cdot {{B}}}{{{d}}} = {{U_{\rm{H}}}}\]
Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \({{d}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzt sich \({{d}}\) weg.\[{{R_{\rm{H}}}} \cdot {\color{Red}{{I}}} \cdot {{B}} = {{U_{\rm{H}}}} \cdot {{d}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{R_{\rm{H}}}} \cdot {{B}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzen sich \({{R_{\rm{H}}}}\) und \({{B}}\) weg.\[{\color{Red}{{I}}} = \frac{{{U_{\rm{H}}}}\cdot {{d}}}{{{R_{\rm{H}}}} \cdot {{B}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{I}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{U_{\rm{H}}}} = {{R_{\rm{H}}}} \cdot \frac{{{I}} \cdot {\color{Red}{{B}}}}{{{d}}}\]nach \({\color{Red}{{B}}}\) aufzulösen, musst du drei Umformungen durchführen:


Vertausche die beiden Seiten der Gleichung.\[{{R_{\rm{H}}}} \cdot \frac{{{I}} \cdot {\color{Red}{{B}}}}{{{d}}} = {{U_{\rm{H}}}}\]
Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \({{d}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzt sich \({{d}}\) weg.\[{{R_{\rm{H}}}} \cdot {{I}} \cdot {\color{Red}{{B}}} = {{U_{\rm{H}}}} \cdot {{d}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{R_{\rm{H}}}} \cdot {{I}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzen sich \({{R_{\rm{H}}}}\) und \({{I}}\) weg.\[{\color{Red}{{B}}} = \frac{{{U_{\rm{H}}}}\cdot {{d}}}{{{R_{\rm{H}}}} \cdot {{I}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{B}}}\) aufgelöst.
Um die Gleichung\[{{U_{\rm{H}}}} = {{R_{\rm{H}}}} \cdot \frac{{{I}} \cdot {{B}}}{{\color{Red}{{d}}}}\]nach \({\color{Red}{{d}}}\) aufzulösen, musst du zwei Umformungen durchführen:


Multipliziere beide Seiten der Gleichung mit \({{d}}\). Auf der rechten Seite der Gleichung kürzt sich \({{d}}\) weg.\[{{U_{\rm{H}}}} \cdot {\color{Red}{{d}}} = {{R_{\rm{H}}}} \cdot {{I}} \cdot {{B}}\]
Dividiere beide Seiten der Gleichung durch \({{U_{\rm{H}}}}\). Auf der linken Seite der Gleichung kürzt sich \({{U_{\rm{H}}}}\) weg.\[{\color{Red}{{d}}} = \frac{{{R_{\rm{H}}}} \cdot {{I}} \cdot {{B}}}{{{U_{\rm{H}}}}}\]Die Gleichung ist nach \({\color{Red}{{d}}}\) aufgelöst.
Abb. 1 Schrittweises Auflösen der Formel zur Berechnung der HALL-Spannung nach den fünf in der Formel auftretenden Größen
a)

Eine HALL-Sonde der Dicke \(1{,}0\,\rm{mm}\) aus einem Material mit der HALL-Konstanten \(0{,}00040\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}}\) befindet sich in einem Magnetfeld von \(850\,\rm{mT}\) und wird von einem Strom der Stärke \(0{,}30\,\rm{A}\) durchflossen.

Berechne die HALL-Spannung, die sich an der HALL-Sonde aufbaut.

b)

Eine Kupferfolie der Dicke \(10\,\rm{\mu m}\) wird von einem Strom der Stärke \(10\,\rm{A}\) durchflossen. Im homogenen Magnetfeld der Feldstärke \(0{,}43\,\rm{T}\) wird eine HALL-Spannung von \(22\,\rm{\mu V}\) gemessen.

Berechne die HALL-Konstante von Kupfer.

c)

Durch eine \(10\,\rm{\mu m}\) dicke Kupferfolie mit der HALL-Konstanten \(5{,}3 \cdot 10^{-11}\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}}\) fließt ein Strom der Stärke \(10\,\rm{A}\). Bringt man die Folie in ein Magnetfeld, dann misst man eine HALL-Spannung von \(0{,}030\,\rm{mV}\).

Berechne die Flussdichte des Magnetfeldes.

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a)

Mit \(R_{\rm{H}}=0{,}00040\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}}\), \(I=0{,}30\,\rm{A}\), \(B=850\,\rm{mT}=850 \cdot 10^{-3}\,\rm{T}\) und \(d=1{,}0\,\rm{mm}=1{,}0 \cdot 10^{-3}\,\rm{m}\) nutzt man die Formel für die HALL-Spannung\[{U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[U_{\rm{H}} = 0{,}000\,40\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}} \cdot \frac{0{,}30\,\rm{A} \cdot 850 \cdot 10^{-3}\,\rm{T}}{1{,}0 \cdot 10^{-3}\,\rm{m}} = 0{,}10\,{\rm{V}}\]

b)

Mit \(U_{\rm{H}}=22\,\rm{\mu V}=22 \cdot 10^{-6}\,\rm{V}\), \(I=10\,\rm{A}\), \(B=0{,}43\,\rm{T}\) und \(d=10\,\rm{\mu m}=10 \cdot 10^{-6}\,\rm{m}\) ergibt sich mit der Formel für die HALL-Spannung\[{U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d} \Leftrightarrow {R_{\rm{H}}} = \frac{{{U_{\rm{H}}} \cdot d}}{{I \cdot B}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[{R_{\rm{H}}} = \frac{22 \cdot 10^{-6}\,\rm{V} \cdot 10 \cdot 10^{-6}\,\rm{m}}{10\,\rm{A} \cdot 0{,}43\,\rm{T}} = 5{,}1 \cdot 10^{-11}\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}}\]

c)

Mit \(U_{\rm{H}}=0{,}030\,\rm{mV}=0{,}030 \cdot 10^{-3}\,\rm{V}\), \(R_{\rm{H}} = 5{,}3 \cdot 10^{-11}\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}}\), \(I=10\,\rm{A}\) und \(d=10\,\rm{\mu m}=10 \cdot 10^{-6}\,\rm{m}\) ergibt sich mit der Formel für die HALL-Spannung\[{U_{\rm{H}}} = {R_{\rm{H}}} \cdot \frac{{I \cdot B}}{d} \Leftrightarrow B = \frac{{{U_{\rm{H}}} \cdot d}}{{I \cdot {R_{\rm{H}}}}}\]Einsetzen der gegebenen Werte liefert\[B = \frac{0{,}030 \cdot 10^{-3}\,\rm{V} \cdot 10 \cdot 10^{-6}\,\rm{m}}{10\,\rm{A} \cdot 5{,}3 \cdot 10^{-11}\,\frac{\rm{m}^3}{\rm{C}}} = 0{,}57\,\rm{T}\]

Grundwissen zu dieser Aufgabe

Elektrizitätslehre

Bewegte Ladungen in Feldern