PENENTUAN e/m Kusnanto Mukti W

PENENTUAN e/m
Kusnanto Mukti W/ M0209031
Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta
ABSTRAK
Eksperimen dalam menentukan besar muatan elektron pertama kali dilakukan oleh
J.J.Thomson. Dalam percobaanya, Thomson menggunakan tabung sinar katoda yang
dilengkapi listrik dan medan magnet serta mempercepat sinar katoda melalui tegangan
tinggi yang kemudian dikendalikan dengan medan magnet yang dihsilkan oleh sepasang koil
Helmholtz. Eksperimen ini didasarkan pada eksperimen Thomson tersebut, yaitu hubungan
perbandingan e dan m dapat diperoleh dengan mengukur jari-jari sinar r pada setiap nilai
arus I dengan beberapa nilai Tegangan V. Nilai e/m diperoleh dari hubungan kesetimbangan
gaya antara gaya magnet dan gaya sentripetal elektron yang disebabkan adanya medan
magnet. Dari data yang diperoleh pada eksperimen tersebut, didapati bahwa nilai radius
berbanding terbalik dengan nilai penambahan arus listrik pada elektron gun dan berbanding
lurus dengan nilai tegangan pada coil Helmhoztz.
Kata Kunci: Sinar Katoda, Radius Elektron.
Latar Belakang
Tabung sinar katoda adalah tabung
hampa udara yang dibuat dengan
memanfaatkan teknik pevakuman Geisler
yang dapat memancarkan elektron dalam
bentuk sinar katoda ketika saklar
dihubungkan.Percobaan ini dilakukan oleh
Julius plocker. Kemudian peristiwa ini
dijelaskan oleh Sir William Crockes pada
tahun 1879 yang berhasil menunjukkan
bahwa sinar katoda adalah berkas sinar
bermuatan negatif yang oleh Thomson
disebut sebagai elektron.
Pengukuran nilai muatan elektron
(e) dapat dapat diketahui setelah percobaan
yang dilakukan oleh J.J. Thomson, yaitu
dengan menggunakan peralatan tabung
sinar katoda yang dilengkapi dengan
Medan listrik dan Medan magnet. Harga e
dapat didekati dengan harga perbandingan
e/m yang diperoleh dari hubungan antara
nilai arus (I), tegangan elektroda (V), dan
radius lintasan elektron (r). Hubungan
antar ketiganya dapat diketahui dari sifatsifat coil helmholzt yang menyebabkan
adanya gaya sentripetal yang membuat
elektron berbentu lingkaran dari gaya
linier yang timbul akibat perbedaan
tegangan listrik antara katoda dengan
I.
anoda. Bertolak dari percobaan yang
pernah dilakukan oleh Thomson tersebut,
eksperimen
ini
mencoba
untuk
membuktikan
kembali
hubunganhubungan tersebut.
Percobaan mengenai sinar katoda
adalah salah satu eksperimen untuk
mengetahui kaakteristik dari elektron yang
merupakan partikel sub-atomik yang
fundamental dalam terbentuknya arus
listrik. Sehingga eksperimen ini penting
dilakukan mengingat wilayah aplikasi
kelistrikan yang sangat luas.
TINJAUAN PUSTAKA
Pada
tahun
1891,
George
Johnstone Stoney menyatakan bahwa sinar
katoda
terbentuk
dari
hamburan
elektron.Sinar katoda tidak tampak hanya
melalui pengaruh fluoresensi dari statu
bahan sinar ini dapat dilacak.
Sinar katoda merupakan berkas
distribusi elektron yang terbentuk didalam
tabung sinar katoda. Gambar diatas adalah
diagram skematis bagian-bagian sebuah
tabung sinar katoda (pembelokan sinar
katoda dalam medan listrik). Tabung sinar
katoda ini memiliki ruang yang didalam
tabungnya sangat vakum.
II.
Gambar 1: Pembelokan sinar katoda dalam medan listrik
Sumber gambar: Fundametal Concepts of Chemistry)
Keterangan gambar;
menggambarkangerak partikel di dalam
1. Jika hanya ada medan listrik,
sebuah siklotron (alat pemercepat partikel)
berkas sinar katoda di belokkan ke
(Wiyanto, 2008). Dalam hal ini, J.J.
atas (titik 1)
Thomson seorang ahli físika yang
2. Jika hanya ada medan magnet,
berasaldari Inggris pada tahun 1897
berkas sianr katoda di belokkan ke
melakukan percobaan yangbertujuan untuk
atas (titik 2)
mencari perbandingan antara besarnya
3. Jika tidak ada medan listrik dan
muatan suatu partikel (misalnya elektrón
medan magnet, sinar katoda
e) dengan massa partikel itu. Thomson
bergerak lurus (titik 3)
mengamati bahwa penyimpangan partikel
di dalam tabung yang dilengkapi dengan
Katoda sebelah kiri sangat ditinggikan
listrik dan medan magnet yang arahnya
temperaturnya dengan alat pemanas, dan
tegak lurus. Elektrón dilepaskan dari
electron-elektronnya
menguap
dari
filamen katoda K, sehingga bergerak
permukaannya. Penguapan elektrón ini
menuju anoda yang potensialnya lebih
disebut sinar katoda. Sinar-sinar katoda
tiggi daripada K. Pancaran elektroda dari
dipercepat melalui tegangan tinggi yang
K menuju A ini juga disebut sinar katoda.
dikendalikan dengan medan magnet yang
(Tobing, 1986 )
dibangkitkan oleh sepasang koil.(Sears
Dalam percobaan sinar katoda
Zemansky, 1986)
tersebut terdapat dua gaya yang bekerja
Jika partikel bermuatan (elektron) jika
yaitu gaya elektromagnetik dan gaya
bergerak dengan kecepatan v di daerah
sentripetal.Gaya sentripetal ini muncul
dengan kuat medan B, maka pertikel
diakibatkan karena bentuk lintasan dari
tersebut akan mengalami pembelokkan
gaya elektromagnetik berbentuk lingkaran.
yang diakibatkan oleh timbulnya gaya
Sehingga pada saat memesuki daerah
magnetik (Fm). Jika muatan elektron
medan
magnetik
akan
terjadi
adalah e dan kecepatannya v, maka
kesetimbangan gaya yaitu antara gaya
elektron akan mengalami gaya magnetik
magnetik dan gaya sentripetal yang
yang besarnya :
diuraikan sebagai berikut :
mv 2
Fm = Fs
Fm = evx B
Fs =
𝑟
Dimana:
Maka:
Fm = Fs
mv 2
evB = 𝑟
Persamaan diatas
disebut
siklotron, karena persamaan
evB = m
𝑒
𝑚
formula
tersebut
𝑣
𝑣2
𝑟
= 𝐵𝑟
v=
𝑒𝐵𝑟
𝑚
Dimana
eV =
1
2
m v2
Maka
1
𝑒𝐵𝑟 2
𝑚
𝑒 (𝐵𝑟)2
eV = 2m
V =
2𝑚
𝑒
𝑚
2𝑣
= (𝐵𝑟 )2
; maka
Gambar 2: Pembelokan sinar katoda dalam medan magnet (Sumber gambar: Ilmu Kimia
Untuk Universitas, Jilid 1)
Formula dari nilai kecepatan
elektron tersebut dapat diperoleh karena
berkas elektron di peroleh dengan
menggunakan elektron gun dan di percepat
melalui beda potensial (V), sehingga akan
menghasilkan energi potensial elektron
(eV) yang seluruhnya diubah menjadi
1
energi kinetik elektron sebesar (2 m v2)
ketika elektron tersebut mencapai ujung
yang lain.
III.
METODE PENELITIAN
3.1 Alat dan Bahan
Peralatan
yang
digunakan
dalam
eksperimen sinar katoda sebagai berikut:
1. Seperangkat
tabung
sinar
katoda/tabung
Thomson(yang
terdiri dari : koil helmhozt,
pengatur tegangan dan arus listrik,
elektron gun, dan sebagainya yang
berfungi sebagai objek tempat
pengamatan dan pengaturan sistem
percobaan)
2. High voltage DC power supply
(3kV – 6kV): Sebagai Sumber
tegangan masukan pada elektroda
yang memicu pergerakan linear
elektron
3. Low voltage AC/DC power supply
(0V – 400V): Sebagai Sumber
tegangan masukan pada coil
helmholtz yang memicu medan
magnet B yang menyebabkan
pergerakan melingkar elektron
4. Sumber
arus
yang
dapat
bervariabel 0A – 2 A
5. Digital amperemeter: Alat untuk
mengukur nilai arus
6. Kabel
penghubung:
Untuk
menghubungkan arus listrik dari
satu komponen ke komponen yang
lain
IV.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Langkah pertama yang dilakukan
dalam percobaan ini adalah merangkai
alat utama yang berupa tabung sinar
katoda dengan kumparan helmhotz, yang
dilengkapi dengan dua buah catu daya,
serta sebuah multimeter. Dua buah catu
daya digunakan untuk memberi tegangan
pemercepat bagi elektron, dan tegangan
pemanas bagi filamen. Pada percobaan ini
dilakukan 2 kali percobaan, yaitu dengan
variasi arus (I) konstan dan V pemercepat
konstan.
Pengambilan data dilakukan dengan
memvariasikan nilai tegangan pemercepat
dan kuat arus yang secara langsung
mempengaruhi nilai medan magnet.
Setiap vaiasi pengukuran diperoleh data
tentang jarak AG yang nantinya untuk
mencari nilai r, yang merupakan ukuran
radiasi dari lintasan elektron yang berupa
lingkaran. Percobaan pertama yaitu
memvariasi arus dari 0.1A hingga AG
mencapai
jarak
maksimal dengan
kenaikan 0.1A, dimana nilai tegangannya
tetap yaitu 3kV. Sedangkan percobaan
selanjutnya yaitu memvariasi tegangan
dari 3kV hingga 5kV dengan kenaikan
0.3kV, dimana nilai arusnya tetap yaitu
0.7A.
Gambar 3: Lintasan elektron.
Dari gambar di atas dapat dilihat
bahwa sinar yang datang dari katoda
berbelok, tidak lurus kedepan. Pembelokan
sinar ini karena adanya medan listrik
negative, maka akan dibelokan (berkas
sinar katoda ini tertolak oleh medan
negatif). berdasarkan hal ini maka
Thomson menyatakan bahwa berkas sinar
katoda itu adalah partikel-partikel yang
bermuatan negatif yang ia sebut sebagai
“corpuscle”. Corpuscle yang ditemukan
oleh Thomson ini kemudian disebut
sebagai “electron” oleh G. Johnstone
Stoney
Dari gambar di atas jari-jari lintasan
elektron dapat dicari dengan rumus:
6400
𝐴𝐺
r = 2 𝐴𝐺 + 2 − 80 = mm
Dari percobaan diperoleh data sebagai
berikut:
 Percobaan I dengan Vp = 3kV
I (A)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8

AG (m)
0.020
0.028
0.034
0.046
0.054
0.064
0.068
0.078
Percobaan II dengan I = 0,7 A
AG (m)
0.072
0.070
0.068
0.065
0.063
0.061
0.059
Vp (volt)
3000
3300
3600
3900
4200
4500
4800
Dari data eksperimen di atas maka
didapatkan grafik:
 Percobaan I Vp = konstan = 3000V
2𝑉 1
r2 = 𝛼 B 2
Dimana
y = r2
2𝑉
m= 𝛼
1
x = B2
Dari percobaan I diperoleh
1
hubungan antara r2vs B 2 :
y = 0.000000021x + 0.007280679
maka m = 0.000000021
2𝑉
m= 𝛼
α=
2𝑉
𝑚
𝑒
=
6000
0.000000021
α = 𝑚 = 2.86E+12
grafik
= 2.86E+12
 Percobaan II B = konstan
B~I
I = 0.7 A
2
r2 = 𝛼 𝐵 2 V
Dimana
y = r2
2
m = 𝛼 𝐵2
x=V
Dari percobaan II diperoleh
hubungan antara r2 vs V
y = 0.0000015x - 0.0006789
grafik
maka m = 0.0000015
2
m = 𝛼 𝐵2
II.
2
α = 𝑚 𝐵2
dimanaB = kI
B = 0.00417 x 0,7
= 0.002919
B2 = 0.0000085206
2
α = 0.0000015 𝑥0.0000085206
= 1.56E+11
𝑒
α = 𝑚 = 1.56E+11
Dari perhitungan grafik diatas diperoleh
𝑒
nilai 𝑚
𝑒
1. Untuk V konstan 𝑚 = 2.86E+12
𝑒
2. Untuk B konstan 𝑚 = 1.56E+11
𝑒
Sedangkan nilai dari literatur yang ada
𝑚
yaitu 1.76E+08 c/g.
Hasil eksperimen menunjukkan bahwa
untuk nilai V konstan, semakin besar arus
listrik, maka AG makin besar pula yang
tapi nilai radius (r) semakin kecil.Untuk B
konstan atau I konstan, semakin besar
tegangan listrik V, maka AG semakin kecil
yang berarti bahwa nilai radius (r) semakin
besar.
V.
KESIMPULAN
Dari hasil eksperimen dapat disimpulkan
bahwa:
I.
Nilai beda tegangan elektroda
pemercepat (V) berbanding lurus
III.
VI.
dengan jari-jarilintasan berkas
elektrón (r) untuk setiap nilai arus
(I), yaitu semakin besarnilai
tegangan maka radiuspun semakin
besar pula
Nilai arus lisrik pada coil
Helmholzt (I) berbanding terbalik
dengan jari-jarilintasan berkas
elektrón (r), dimana semakin besar
nilai arus listrik yang diberikan,
nilai radius menjadi kecil.
Perbandingan harga e/m melalui
percobaan
yang
dilakukan
ekuivalen atau mendekati harga
e/m acuan yang pernah dilakukan
oleh J.J.Thomson.
DAFTAR PUSTAKA
KKeenan;
Kleinfelter;
Wood,
1989.Ilmu
Kimia
Untuk
Universitas, Jilid 1.Jakarta:
Erlangga.
Musbach,
Musaddiq,1996.Fisika
Listrik
Magnet
dan
Optik.Jakarta: Pusat Pembinaan
dan Pengembangan Bahasa
Departemen Pendidikan dan
Kebudayaan.
Tobing,
D.
L.,1986.
Teori
Medan.jakarta
:
Penerbit
Karunika Jakarta Universitas
Terbuka.
Wiyanto,
2008.Elektromagnetika.Yogya
karta : Graha Ilmu.
Zemansky, Sears, 1986. Fisika Untuk
Universitas
2
“Listrik
Magnet”. Bandung: Bina cipta.
LAMPIRAN
VII.
Percobaan I: Vp konstan = 3000V
I (A)
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
AG
(mm)
20
28
34
46
54
64
68
78
r2
r (mm)
353.553
229.911
177.109
116.150
92.657
73.539
68.049
58.055
r (m)
0.354
0.230
0.177
0.116
0.093
0.074
0.068
0.058
r^2
0.1250
0.0529
0.0314
0.0135
0.0086
0.0054
0.0046
0.0034
B = k.I
0.00042
0.00083
0.00125
0.00167
0.00209
0.00250
0.00292
0.00334
B^2
1.739E-07
6.956E-07
1.565E-06
2.782E-06
4.347E-06
6.260E-06
8.521E-06
1.113E-05
Grafik r2 vs 1/B2
0.1400
0.1200
0.1000
0.0800
y = 0.000000021x + 0.007280679
0.0600
0.0400
0.0200
1
𝐵2
0.0000
0.000E+00
2.000E+06
4.000E+06
6.000E+06
8.000E+06
1/B^2
5.751E+06
1.438E+06
6.390E+05
3.594E+05
2.300E+05
1.597E+05
1.174E+05
8.986E+04
jumlah
rata2
e/m
4.313E+09
4.560E+08
1.203E+08
2.909E+07
1.185E+07
5.183E+06
3.261E+06
1.817E+06
4.941E+09
6.176E+08
Percobaan II: B konstan (B ~ I) maka I konstan, I= 0.7 A
AG
(mm)
72
70
68
65
63
61
59
Vp
(volt)
3000
3300
3600
3900
4200
4500
4800
r (mm)
63.482
65.660
68.049
72.070
75.077
78.373
81.988
r (m)
0.063
0.066
0.068
0.072
0.075
0.078
0.082
r^2
0.004
0.004
0.005
0.005
0.006
0.006
0.007
jumlah
rata2
e/m
1.75E+11
1.80E+11
1.82E+11
1.76E+11
1.75E+11
1.72E+11
1.68E+11
1.23E+12
1.75E+11
grafik r2 vs V
r2
0.008
0.007
y = 0.0000015x - 0.0006789
0.006
0.005
0.004
0.003
0.002
0.001
0.000
2500
V
3000
3500
4000
4500
5000