Hallo, das gelbe Teslameter, hat Bauchweh. „Ich zeige seit gestern nur noch Unsinn an“, jammert es. Mya holt den Schraubenzieher und klappt Hallos Sonde auf. Drinnen steckt kein Zauberwerk, sondern ein winziges Plättchen mit vier Drähten. „Bitte nicht so genau hinschauen, das ist mir peinlich!“, ruft Hallo. „Das ist eine Hallplatte“, sagt Theo, der Theoretiker. „Benannt nach Edwin Hall, nicht nach dir.“ Paul, der Praktiker, findet heraus, dass solche Plättchen überall stecken: in Myas E-Bike, in der neuen Strommesszange Kroko und sogar in Theos Handy. Nadja die Kompassnadel fürchtet um ihren Job, Kater Erwin legt sich auf alles, was warm ist, und Lumi ist ein Lichtfleck und hat keine einzige Ladung dabei.
Physik Klasse 11 (Leistungskurs), Thema Lorentzkraft, Halleffekt und seine Anwendungen. Die Sprüche sind albern, die Physik nicht: Station 1 rechnet mit UH = I · B / (n · q · d) und echten Ladungsträgerdichten, Station 2 simuliert das Signal eines Hallsensors am Fahrradrad, Station 3 rechnet das Feld im Luftspalt eines Ferritrings, Station 4 nutzt das echte Erdmagnetfeld in Deutschland. Vorher sinnvoll: magnetische Flussdichte und Massenspektrometer (Lorentzkraft).
Durch ein dünnes Plättchen (Breite b, Dicke d) fließt der Steuerstrom I von links nach rechts. Das Magnetfeld B steht senkrecht auf der Platte, also senkrecht zum Bildschirm. Die Lorentzkraft drückt die bewegten Ladungsträger an einen Rand. Dort sammeln sie sich, bis das elektrische Feld der getrennten Ladungen sie genauso stark zurückhält. Zwischen oberem und unterem Rand misst Hallo dann die Hallspannung UH. Das Einschwingen läuft hier in Superzeitlupe, in Wirklichkeit dauert es weniger als eine Billionstel Sekunde.
| Nr. | Platte | d | I | B in mT | UH | UH·d/(I·B) in m³/C |
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Noch keine Messung. Stelle Strom und Feld ein und tippe auf „Notieren“.
Rätselplatte: Mya hat das Plättchen aus einem alten Kassettenrekorder. Welche Ladungsträger fließen darin, und wie groß ist ihre Dichte? Die Platte ist 1,00 mm dick.
Aufträge: ① Beobachte das Testteilchen beim Einschalten. Welche Kräfte wirken, und wann wandert es geradeaus weiter? ② Vergleiche Kupfer mit n-Germanium. Warum ist die Hallspannung im Halbleiter so viel größer, obwohl viel weniger Strom fließt? ③ Vergleiche n- und p-Germanium bei gleichen Einstellungen. Woran erkennt man, welche Ladungsträger fließen? ④ Germanium zeigt auch bei B = 0 eine Spannung. Woher kommt sie? Gleiche sie aus und miss dann. ⑤ Zeige mit einer Messreihe: UH ~ I · B. Bestimme die Hallkonstante RH und die Ladungsträgerdichte n. Knacke die Rätselplatte.
Mya hat ein E-Bike. An einer Speiche klebt ein kleiner Magnet, an der Gabel sitzt ein Hallsensor. Bei jeder Umdrehung saust der Magnet einmal vorbei, die Hallspannung zuckt kurz hoch, und der Tacho rechnet aus Radumfang und Zeit zwischen zwei Pulsen die Geschwindigkeit aus. Bis 25 km/h hilft der Motor mit, darüber schaltet er ab, so verlangt es das Gesetz. Unten siehst du das Signal auf dem Oszilloskop. Ziehe die beiden Cursor, um Zeiten abzulesen.
Erwin liegt auf dem Tacho: Wie schnell fährt Mya? Das Rad ist ein 28-Zoll-Rad mit 2,21 m Umfang, an den Speichen klebt ein Magnet.
Aufträge: ① Halte das Bild an und miss mit den Cursorn die Zeit T zwischen zwei Pulsen. Berechne die Geschwindigkeit aus v = U / T und vergleiche mit dem Tacho. ② Warum hat der Hallsensor ein zweites, eckiges Signal? Sieh dir die Pulslupe an: Bei welcher Flussdichte schaltet er ein, bei welcher aus? ③ Paul hat im Tacho den falschen Umfang eingestellt. Was zeigt der Tacho dann an? Wie hängt der Fehler mit den Umfängen zusammen? ④ Paul klebt einen zweiten Magneten an die Speichen, damit Mya „schneller“ wird. Was passiert mit Tacho und Motor? ⑤ Lege Erwin auf den Tacho und bestimme Myas Geschwindigkeit nur mit dem Oszilloskop.
Mya will wissen, wie viel Strom ihre Gartenlaube aus der 12-V-Autobatterie zieht, ohne ein einziges Kabel aufzuschneiden. Dafür hat sie Kroko gekauft, eine Strommesszange. Ihr Maul ist ein Ferritring mit einem schmalen Luftspalt, und im Spalt sitzt ein Hallchip. Der Ring sammelt das Magnetfeld des Leiters ein und führt es durch den Spalt. Weil eine Hallplatte auch konstante Felder misst, kann Kroko Gleichstrom messen. Zangen ohne Hallchip können das nicht. Ziehe die Leiter im Maul mit Maus oder Finger herum.
Aufträge: ① Miss die Ströme der vier Geräte. Verschiebe den Leiter im Maul. Ändert sich die Anzeige? ② Paul klemmt das ganze Kabel ins Maul und behauptet, die Kühlbox brauche keinen Strom. Erkläre die Anzeige. ③ Wozu fädelt man eine Ader dreimal durch? Und was zeigt Kroko, wenn die Ader neben dem Maul liegt? ④ Warum zeigt Kroko zu wenig an, wenn Pauls Finger klemmt? Profi Berechne B im Spalt mit B ≈ μ0 · I / δ.
Theo zeigt Nadja sein Handy: „Da drin stecken drei winzige Hallsensoren, je einer für jede Richtung. Die messen das Erdmagnetfeld, und daraus rechnet das Handy aus, wo Norden ist.“ Nadja ist beleidigt. Hier siehst du die waagerechten Sensoren x (quer im Handy) und y (längs zur Oberkante). Das Erdfeld zeigt waagerecht mit etwa 19 µT nach Norden. Drehe das Handy mit Maus oder Finger. Rechts wird jeder Messpunkt (Bx | By) eingetragen.
Aufträge: ① Drehe das Handy einmal ganz herum. Welche Form bilden die Messpunkte? Wie groß ist der Radius? ② Lies Bx und By ab und berechne den Kurs. Tipp: Zeigt das Handy nach Norden, ist Bx = 0. ③ Stecke das Handy in Pauls Hülle. Was passiert mit dem Kreis und mit der Kompassanzeige? ④ Wie kann das Handy den Fehler selbst herausrechnen? Probiere „Kalibrieren“ aus und erkläre, warum man das Handy dafür drehen muss.
Mya erzählt beim Schrauben gern Geschichten. Ein paar davon hat sie dazuerfunden. Welche?