■ 교사용 실험 자료실 ■

실험 제목	홀센서를 이용한 자극 탐지기			실험 원리	자석, 홀효과
실험 시간	30분	실험 분야	물리	실험 방법	개별실험
실험키트 구성	자극 탐지기 도안, 동전전지(3V) 2개, 전지홀더, 홀센서, LED (Blue Red), 저항, 누름스위치, 커넥터 (2P 3P 4P), 엔드캡, 커넥터용 전선, 양면 테이프
교사준비물	막대자석 (자극이 표시된 자석), 여러 가지 자석(자극 표시가 없는자석, 칠판 자석, 고무자석, 냉장고자석 등)			학생준비물	유성펜
실험 결과	학생 1인당 각자 자극 탐지기 1개를 가지고 갑니다.
실험팁	TIP 1. LED 두 종류를 커넥터에 꽂을 때 커넥터의 종류와 다리길이(+극, -극)를 주의하여 꽂아야 합니다. TIP 2. 홀센서의 방향에 주의하세요. 홀센서가 보고서와 반대로 꽂히면 정반대의 결과가 나옵니다. TIP 3. 상자에 회로를 넣을 때 전선의 연결 부위나 각종 부품의 다리가 서로 닿지 않도록 마감을 확인하여 주세요. TIP 4. 이 회로는 자기력이 없는 곳에서 Blue LED가 켜지도록 되어있습니다. 정확하게 알 수 있는 극은 N극이므로 이 점을 알려주시기 바랍니다. TIP 5. 자극이 표시된 자석으로 원리를 확인한 후, 자극이 표시되지 않은 자석으로 자극을 알아낼 수 있음을 활동을 통해 알 수 있습니다. 가능한 여러 종류의 자석이 준비되는 것이 좋습니다.

자석의 극을 알아낼 수 있는 방법은 어떤 것이 있을까요?

막대자석의 한 극(N극)을 가까이 한 후 밀어내면 같은 극(N극), 끌어당기는면 다른 극(S극)임을 알 수 있습니다.

홀효과[ Hall effect ]

자기장 속의 도체에서 자기장의 직각방향으로 전류가 흐르면, 자기장과 전류 모두에 직각방향으로 전기장이 나타나는 현상이다. 1879년 미국의 물리학자인 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견하였다.

홀효과는 전류가 흐르는 도선 안이나 다른 고체 안에서 움직이는 전하와 관련이 있다. 전류가 흐르는 도선에 수직인 자기장은 도선 내에서 움직이는 전하들을 한쪽 면으로 휘어지게 만든다.

따라서 도선의 한쪽면에는 음전하가 쌓여 음으로 대전되고, 다른 한쪽면은 양으로 대전된다.

그러면 전기장이 도선을 가로질러 존재하게 되는데, 이를 홀 전기장(Hall field)이라고 하며, 홀 전기장은 도선을 가로지르는 전위차(홀 전압, Hall voltage)를 측정하여 계산할 수 있다.

또한, 전하의 표류 속도는 vD=E/B이므로, 홀효과를 이용하여 움직이는 전하의 표류속도를 측정하고 부호를 결정할 수 있다.

전류가 같은 방향이라도 전하를 운반하는 입자의 전하 부호에 따라 발생하는 전기장의 방향이 달라진다. 그리고 입자의 농도에 따라서도 전기장의 세기가 달라진다.

이를 이용해서 고체 속에서 전류를 운반하는 자유전자의 농도나 움직이기 쉬운 정도를 측정하고, 반도체에서는 자유전자와 함께 자유양공(自由陽孔)에 대한 식별 및 측정을 할 수 있다.

(a) 직사각형 단면을 가진 막대 모양의 시료가 자기장(Bz)에 놓여 있고, 시료의 양 끝에 가해진 전기장(Ex)으로 인해 막대에 전류(jx)가 흐른다.

(b) 움직이는 전하는 자기장에 의해 y방향으로 휘어진다.

(c) 자기장에 의한 로렌츠 힘을 상쇄할 정도의 홀 전기장이 생길 때까지 막대의 한쪽 면에는 전자가 쌓이고 반대 면에는 여분의 양이온들이 형성된다.                                                            [네이버 지식백과] 홀효과 [Hall effect] (두산백과)

전자기력[ 電磁氣力 ]

도선에 전류가 흐르면 도선 주위에 자기장이 형성되고 이로 인하여 자침이나 자석에 힘을 미친다. 이는 두 자석 사이에 작용하는 자기력과 같은 성질을 띠고 있으므로 이를 전자기력이라고 한다. 이 힘의 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 알 수 있다. 도선이 받는 힘의 크기는 F=Bil sinθ이다. 여기서 θ는 자기장과 전류가 이루는 각도이다. 전동기와 전압계, 전류계는 모두 전자기력을 이용한 것이다. 자기장 속에서 움직이는 전하도 전자기력을 받는다. 이때 전하 q가 받는 힘의 크기는 F=qvB sinθ이다.

플레밍의 왼손 법칙

[네이버 지식백과] 전자기력 [電磁氣力] (Basic 고교생을 위한 물리 용어사전, 2002. 4. 15., (주)신원문화사)

로렌츠의 힘 (공식명칭 로런츠의 힘)

일반적으로 전하량 q로 대전된 입자가 자기장 B에 수직인 방향으로 v의 속도로 입사하면 F=qvB의 힘을 받는데, 이 힘을 로렌츠의 힘이라고 한다. 만약 대전 입자가 자기장에 수직으로 입사하지 않고 θ의 각을 이루면서 입사하였다면 이 입자가 받는 힘의 크기는 다음과 같다.

F=q(vsinθ)B=qvBsinθ