RADIASI 3 PERCOBAAN em ELEKTRON

PERCOBAAN e/m ELEKTRON
A. TUJUAN
1. Mempelajari sifat medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz.
2. Menetukan nilai e/m dengan medan magnet.
B. PERALATAN
1. Seperangkat peralatan e/m
2. Sumber daya tegangan dan arus
3. Multimeter
4. Power supply
5. Kabel
6. Teslameter
C. DASAR TEORI
Jika sebuah elektron bermassa m dan bermuatan e dipercepat dalam beda
potensial V, maka elektron akan memiliki energi kinetic sebesar Ek  eV . Bila kecepatan
elektron v , maka energi kinetic tersebut dapat dinyatakan sebagai :
eV 
1 2
mv
2
(1)
Dalam medan magnet B , elektron tersebut akan mengalami gaya Lorentz
sebesar,
F  e(vx B)
(2)
Untuk medan magnet yang seragam, dan arah kecepatan elektron tegak lurus
terhadap medan magnet (v  B) , elektron akan memiliki lintasan berbentuk lingkaran
(gambar 1). Hal ini akibat dari perubahan arah kecepatan elektron tanpa mengubah
kelajuannya, yang disebabkan adanya gaya sentripetal. Besarnya gaya sentripetal adalah :
Fe  m
v2
r
(3)
Dengan r adalah jari-jari lintasan elektron.
Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripetal sama dengan besar gaya
magnet (gaya Lorentz) elektron tersebut, yaitu :
1
m
v2
 evB
r
(4)
Substitusi pers.(4) ke pers.(1) diperoleh nilai e/m elektron, yaitu :
e
2V
 2 2
m B r
(5)
Medan magnet yang digunakan dalam percobaan ini adalah kumparan Helmholtz
(kumparan yang memiliki jejari R sama dengan jarak kdu kumparan) yang dialiri arus
listrik. Bila jumlah kawat lilitan kumparan Helmholtz adalah n, maka dengan
menggunakan pers.Maxwell pertama dan keempat dapat ditentukan besarnya medan
magnet yang dihasilkan, yaitu :
2
nl
 4 3
B    0
R
5
(6)
Dengan  0 = permeabilitas ruang hampa.
D. PROSEDUR PERCOBAAN
1. Eksperimen pengukuran jejari elektron r konstan dengan variasi I = f( V A )
a. Membuat rangkaian percobaan seperti pada gambar 2, sebelum menghidupkan
power supply.
2
b. Mengatur tegangan anoda V A pada 300 volt dengan cara mengatur tombol b, bila
katode telah panas dan berkas elektron telah terbentuk, mengatur ketajamannya
dengan sekunder wehnelt (tombol c) dan pengaliran arus I yang tepat. Bila
lintasan elektron berupa heliks, maka memutar tabung perlahan-lahan hingga
diperoleh lintasan elektron berupa lingkaran.
c. Mengatur posisi slide e dan f pada lintasan lingkaran elektron yang dalam, dsan
membuuat diameter lingkaran tepat 8 cm.
d. Memvariasikan tegangan anoda ( V A ) dari 300V hingga berkas elektron tidak
terlihat lagi dengan interval penurunan 10V. mencatat perubahan arus I yang harus
dialirkan pada setiap interval tersebut, sedemikian hingga diameter lingkaran
tepat 8 cm.
2. Eksperimen kalibrasi medan magnet B = f(I)
a. Melepaskan kabel-kabel rangkaian eksperimen gambar 2, dan melepaskan juga
tabungnya dengan hati-hati. Selanjutnya membuat rangkaian percobaan seperti
gambar 3 untuk menbukur medan magnet yang dihasilkan.
b. Meletakkan atau mengatur posisi probe medan magnet sedemikian hingga tepat
berada di pusat tengah kumparan Helmholtz.
c. Mengalirkan arus ke kumparan Helmholtz tersebut antara -2 A hingga 2 A dengan
interval 0,5 A. mengukur fluks magnetnya (B) setiap interval kenaikan arus yang
dialirkan.
E. HASIL PENGAMATAN
dengan
VA (Volt)
I (Ampere)
300
1,51
290
1,54
280
1,58
270
1,64
260
1,47
250
1,56
240
1,51
230
1,48
3
220
1,45
210
1,42
200
1,38
F. ANALISIS DATA PENGAMATAN
VA (y)
I
I2 (x)
y2
x2
xy
300
1,51
2,2801
90000
5,198856
684,03
290
1,54
2,3716
84100
5,624487
687,764
280
1,58
2,4964
78400
6,232013
698,992
270
1,64
2,6896
72900
7,233948
726,192
260
1,47
2,1609
67600
4,669489
561,834
250
1,56
2,4336
62500
5,922409
608,4
240
1,51
2,2801
57600
5,198856
547,224
230
1,48
2,1904
52900
4,797852
503,792
220
1,45
2,1025
48400
4,420506
462,55
210
1,42
2,0164
44100
4,065869
423,444
200
1,38
1,9044
40000
3,626739
380,88
a. Menentukan hubungan antara V dan I2
b. Menentukan gradien terbaik k dan simpangan gradien terbaik Sk
Dengan menggunakan program Excel, diperoleh hubungan antara V dan I2 adalah sebagai
berikut :
dengan
dan
4
c. Menentukan nilai e/m elektron
Sehingga nilai e/m elektron berdasarkan analisis adalah :
G. PEMBAHASAN
Jika suatu muatan elektron bergerak di dalam ruang yang berada di bawah pengaruh
medan magnet atau medan listrik maka muatan tersebut akan mengalami gaya sehingga
pergerakan elektron akan menyimpang. Adanya gejala fisis ini dipertimbangkan sebagai
pergerakan muatan elektron didalam medan magnet maupun medan listrik persis seperti
partikel yang dilemparkan horizontal didalam medan gravitasi bumi. Percobaan ini
menggunakan sebuah tabung katode dan kumparan yang berfungsi untuk menghasikan
medan magnet. Kumparan ini disebut kumparan Helmholtz (yaitu kumparan yang memiliki
besar jari-jari sama dengan jarak kedua kumparan) yang digunakan untuk menghilangkan
medan magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet yang konstan dalam ruang yang
sempit dan terbatas.
Elektron yang dihasilkan oleh filamen (yang berlaku sebagai katoda), akibat proses
termoelektron, akan dipercepat ke arah anoda yang mempunyai beda tegangan (V) terhadap
katoda. Dari prinsip kekekalan energi, jika tidak ada usaha yang dikenakan pada elektron,
maka elektron tersebut akan mempunyai energi kinetik akibat tegangan (V).
Elektron tersebut bergerak dalam medan magnet seragam (akibat kumparan Helmholtz),
sehingga terjadi perubahan arah dari kecepatan elektron tanpa merubah kelajuannya,
sehingga elektron akan bergerak melingkar. Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripental
sama dengan besar gaya medan magnet pada elektron tersebut.
Berdasarkan hasil pengamatan, praktikan mengamati bahwa pada saat nilai tegangan (V)
tetap sedangkan nilai arus listrik (I) berubah semakin besar, maka diameter lintasan elektron
akan semakin kecil. Jika semakin besar nilai kuat arusnya maka medan magnet yang
dihasilkan oleh kumparan Helmholtz semakin besar pula. Medan magnet yang besar akan
5
membelokkan elektron dengan kuat sehingga diameter lintasan elektron semakin kecil karena
diameter elektron berbanding terbalik dengan medan magnet. Jika nilai arus listrik (I) tetap
sedangkan nilai tegangan (V) berubah semakin kecil maka diameter lintasan elektron akan
semakin kecil karena V berbanding lurus dengan kuadrat R.
Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh nilai e/m elektron dalam percobaan kali
ini sebesar
sedangkan harga literatur adalah
sehingga terdapat beda sebesar 5,47% antara hasil praktikum dan literatur. Perbedaan ini
kemungkinan disebabkan oleh :
1. Ketidaktelitian praktikan dalam mengambil data; baik itu dalam mengamati diameter
lintasan elektron, maupun saat menentukan tegangan dan arus.
2. Kalibrasi alat yang mungkin kurang tepat. Alat yang dimaksud di sini adalah
voltmeter digital yang menampilkan hasil tegangan yang diberikan sedikit berbeda
dengan yang ditampilkan oleh voltmeter analog.
3. Kekurangtepatan praktikan dalam mengolah data.
H. KESIMPULAN
1. Percobaan e/m elektron dirancang untuk mengetahui sifat medan magnet yang
ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz.
2. Diameter lintasan elektron berbanding lurus dengan tegangan (V) dan berbanding
terbalik dengan arus listrik (I).
3. Berdasarkan analisis data pengamatan, diperoleh nilai e/m elektron sebesar
.
DAFTAR PUSTAKA
Tipler, Paul A. 2001. Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta : Penerbit
Erlangga.
6
LAMPIRAN
Grafik Kuadrat Arus terhadap Tegangan
350
y = 105,37x + 11,234
R² = 0,5135
Tegangan (Volt)
300
250
200
Series1
150
Linear (Series1)
100
50
0
0
0,5
1
1,5
Kuadrat Arus
2
2,5
3
(Ampere2)
7