PERCOBAAN MILIKAN

advertisement
PERCOBAAN MILIKAN
A. TUJUAN PERCOBAAN
1. Menentukan jari-jari dan muatan listrik sebuah minyak.
2. Membuktikan bahwa muatan listrik terkuantisasi secara diskrit.
B. PERALATAN
1. Sistem peralatan Milikan (Leybold 55941)
2. Power Supply (Leybold 55941)
3. Minyak pengisi
4. Pewaktu (Leybold 55941)
5. Kabel penghubung
C. DASAR TEORI
Salah satu konstanta penting dalam fisika adalah nilai muatan listrik yang dibawa oleh
sebuah elektron. Pada tahun 1913, R.A. Milikan dengan menggunakan eksperimen tetes
minyak dapat mendemonstrasikan dan mengukur secara tepat muatan elektron.
Pada eksperimen tetes minyak Milikan, tetes minyak disemprotkan melalui bagian
atas dua keping sejajar. Dengan menggunakan mikroskop, dapat diamati dan diukur
kecepatan vertikal tetes minyak tersebut. Tetes minyak ini mengalami tiga gaya yang
berbeda, yaitu gaya viskos, gaya gravitasi, dan gaya listrik. Dari analisis ketiga gaya ini dapat
diturunkan suatu persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan muatan elektron (q)
Analisis untuk muatan dapat dijelaskan sebagai berikut.
Kasus pertama
Anggaplah bahwa tidak ada medan listrik E dalam dua keping sejajar. Tetes minyak
jatuh ke bawah (keping bawah) hanya disebabkan oleh gaya gravitasi, dan diperlambat oleh
gaya gesek udara (gaya Stokes dan gaya Archimedes). Gaya-gaya yang bekerja pada tetes
minyak tersebut dapat dituliskan :
Gaya gravitasi, gaya yang dialami oleh tetes minyak
Fg  moil  g
Gaya gesek, gaya yang arahnya melawan gaya gravitasi, dalam hal ini sama dengan gaya
Stokes
Fr  6rv1
1
Gaya Archimedes, gaya dengan arah ke atas
FA  mL  g
Dengan moil, mL, η, v1 masing-masing massa tetes minyak, massa udara dengan volum sama
dengan tetes minyak, viskositas minyak, jari-jari tetes minyak, dan kecepatan gerak tetes
minyak ke bawah. Sehingga resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak dapat ditulis :
moil  g  mL  g  6rv1  0
Bila moil – mL = m, maka persamaan di atas dapat ditulis menjadi :
m  g  6rv1  0
Dengan m.g merupakan berat tetes minyak setelah dikurangi oleh gaya Archimedes. Bila
 oil   L   , dengan  oil dan  L adalah rapat massa tetes minyak dan rapat massa udara,
4
maka dengan mengganti m  V  r 3  akan diperoleh resultan gaya tetes minyak
3
4 3
r g  6rv1  0
3
r
Atau
9v1
2 g
Kasus kedua
Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian sehingga tetes minyak bergerak
ke atas dengan kecepatan v2. Bila tegangan antar pelat U dan jarak antar kedua pelat adalah d,
maka E=U/d dan gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah :
q  E  m  g  6rv2  0
Atau
q
U 4 3
 r g  6rv2  0
d 3
Untuk tetes minyak yang melayang di antara pelat sejajar karena pengaruh medan listrik E,
maka pers (2) menjadi :
q
U 4 3
 r g  0
d 3
Dari penjelasan di atas terlihat bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat
digunakan untuk menentukan muatan elektron elementer :
2
1. Mengukur kecepatan jatuh bebas v1 sebelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan
U sehingga tetes minyak diam diantara dua pelat sejajar. Formulasi metode ini dapat
dilakukan dengan substitusi pers. (1) dan pers (3), sehingga diperoleh :
q
6dv1
U
9 v1
2 g
Dengan karakteristik alat dan bahan sebagai berikut :
η = 1,81 . 10-5 N/m2 s, d = 6.10-3 m, ρoil = 875,3 kgm-3, ρL = 1,29 kgm-3
sehingga persamaan (4) dapat dituliskan menjadi :
3
q  2  10
10
v1 2
A s
U
2. Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak dalam ruang bebas medan listrik v 1 dan kecepatan
naik v2 pada tegangan tertentu U. Formulasi ini dapat dilakukan dengan substitusi pers (1) ke
dalam pers (2) sehingga diperoleh :
3

v1 2 18d 

q  v1  v 2


U
2 g 

Dengan memasukkan nilai η, d, dan ρ ke dalam pers (6) diperoleh :
q  v1  v2 
v1
2  10 10 A  s
U
Untuk meningkatkan akurasi nilai terukur dalam percobaan Milikan digunakan faktor koreksi
(koreksi Chunningham) sebagai berikut. Andaikan muatan terkoreksi q c tekanan udara p
(bar), maka koreksi dari pers (5) atau pers (7) adalah :
q
qc 
3

b 2
1  
 rp 
2
b
atau q  qc 3 1  
 rp 
Dengan b adalah suatu konstanta yang dapat diperoleh secara numerik atau grafik (-6,33.10-5
mbar)
D. PROSEDUR PERCOBAAN
1. Menyemprotkan minyak atom (atomic oil) ke dalam pelat sejajar Milikan dengan cara
memompakan minyak tersebut.
3
2. Mengatur teropong yang terdapat di samping Chamber Milikan untuk mengamati tetes
minyak yang telah disemprotkan tersebut sedemikian sehingga dapat terlihat dengan jelas
tetes-tetes minyak tersebut.
3. Mengamati salah satu dari beberapa tetes yang ada, kemudian menentukan kecepatan jatuh
tetes tersebut. Dengan mengukur jarak tempuh dan waktu yang diperlukan (1 skala yang
terlihat pada okuler dikonversi ke meter dalam s 
x
10 4 m dengan x adalah jumlah
1,875
skala). Menamakan kecepatan ini dengan v1 dan melakukan dengan pengukuran sebanyak
tiga kali.
4. Mengalirkan tegangan listrik pada dua keping pelat sejajar tersebut sehingga dihasilkan
medan listrik yang dapat menahan tetes minyak sehingga diam di antara dua pelat,
menamakan tegangan ini sebagai U1.
5. Memperbesar tegangan listrik sehingga tetes bergerak melawan arah gravitasi, menamakan
tegangan ini sebagai U2.
6. Menentukan kecepatan tetes minyak akibat gaya listrik U, menamakan sebagai v 2,
melakukan sebanyak tiga kali seperti langkah 3.
7. Menabulasikan hasil pengamatan yang dilakukan dalam sebuah tabel.
E. DATA HASIL PENGAMATAN
a. Metode Kesetimbangan
U = 0 Volt
Pengukuran ke-
Jumlah skala (x)
Waktu yang diperlukan (t)
1
10
1,10
4,85.10-4
2
10
2,02
2,64.10-4
3
10
3,67
1,45.10-4
Pengukuran ke-
Jumlah skala (x)
Waktu yang diperlukan (t)
1
10
12,42
b. Metode Dinamik
U1 = 260 Volt
U2 = 520 Volt
0,429.10-4
4
2
10
16,20
0,329.10-4
3
10
14,94
0,357.10-4
F. ANALISIS DATA
a. Metode Kesetimbangan
Pengukuran ke-
x
t
t2
v
1
5,33.10-4
1,10
1,21
4,85.10-4
2
5,33.10-4
2,02
4,08
2,64.10-4
3
5,33.10-4
3,67
13,47
1,45.10-4
Jumlah (Σ)
15,99.10-4
6,79
18,76
8,94.10-4
Sehingga :
5
b. Metode Dinamis
t
t2
v
1
5,33.10
-4
12,42
154,26
0,429.10-4
2
5,33.10-4
16,20
262,44
0,329.10-4
3
5,33.10-4
14,94
223,20
0,357.10-4
Jumlah (Σ)
15,99.10-4
43,56
639,90
1,115.10-4
Pengukuran ke-
x
Menghitung q dengan persamaan (4) : Metode Kesetimbangan
Menghitung q dengan persamaan (6) : Metode Dinamis
6
Sehingga :
G. PEMBAHASAN
Pada praktikum tetes minyak milikan terdapat 2 tujuan, yaitu tujuan umum dan tujuan
khusus. Tujuan umum dalam praktikum ini ialah membuktikan bahwa muatan listrik
terkuantisasi secara diskrit sedangkan tujuan khususnya ialah menentukan jari-jari dan
muatan listriknya sebuah tetes minyak dan menentukan muatan listrik dari elektron.
Percobaan tetes minyak Milikan dirancang untuk mengukur muatan listrik elektron dengan
menyimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil
minyak yang berada di antara dua buah pelat elektroda. Dengan mengetahui besarnya medan
listrik, muatan pada tetes minyak yang dijatuhkan (droplet) dapat ditentukan. Dengan
mengulangi eksperimen ini sampai beberapa kali, Robert Milikan menemukan bahwa nilainilai yang terukur selalu kelipatan dari suatu bilangan yang sama. Ia lalu menginterpretasikan
bahwa bilangan ini adalah muatan dari satu elektron : 1.602 × 10−19 Coulomb.
Dalam percobaan ini praktikan mengalami kesulitan dalam pengambilan data
dikarenakan sulitnya menyemprotkan minyak dan mengamati tetes minyak tersebut. Minyak
disemprotkan ke dalam plat sejajar dengan cara disemprotkan melalui celah sempit sehingga
hanya sedikit tetes minyak yang lolos ke dalam pengamatan. Selain itu, kecerahan citra yang
terlihat pada mikroskop sangat kurang (buram), sehingga praktikan kesulitan mengamati tetes
minyak tersebut dan menyebabkan mata pengamat menjadi gampang lelah karena
berakomodasi maksimum dalam waktu yang lama.
7
Secara teori, tetes minyak akan mengarah ke bawah (jatuh) karena adanya pengaruh
gaya gravitasi. Namun, pada waktu melakukan percobaan, praktikan mengamati kecepatan
jatuh dari tetes minyak justru mengarah ke atas karena sifat lensa pada mikroskop yang
memperbesar sekaligus membalik bayangan sehingga tetes minyak yang teramati mengarah
ke atas sebelum diberikan tegangan.
Pada praktikum ini, sebelum plat sejajar diberikan tegangan, kecepatan jatuh tetes
minyak adalah sebesar 2,98.10-4 m/s dan jari-jari tetes minyak 1,684.10-6 m. Tetes minyak
yang jatuh mengalami percepatan gravitasi, tetapi adanya gaya gesekan menyebabkan
kecepatan minyak tetap. Kecepatan ini diperlukan untuk menentukan keseimbangan gaya,
pada tetes minyak bergerak akan terdapat gaya elektrostatik. Melalui beda potensial antara
dua keping dapat diatur sehingga gaya elektrostatik mampu membuat tetes minyak berhenti,
sehingga terjadi keseimbangan. Setelah diberikan tegangan sebesar 260 Volt, tetes minyak
berada pada keadaan setimbang. Pada mesin atomisasi (atomizer machine) yang berfungsi
untuk mengubah ukuran benda menjadi mikroskopis, terjadi gesekan antara material (cairan)
dengan mesin. Adanya gesekan ini akan menyebabkan material-material kecil yang keluar
dari mesin menjadi bermuatan listrik (akibat adanya listrik statis). Beberapa elektron atau ion
lalu bertumbukan dengan tetes minyak tersebut sehingga menjadikannya bermuatan negatif
ataupun positif, tergantung ion atau elektron yang menumbuknya. Ketika tetes minyak kecil
ini jatuh di daerah yang ada medan listrik, maka partikel kecil ini akan tertarik ke arah kutub
yang berlawanan dengan muatannya. Tetes minyak pada percobaan Millikan bermuatan
negatif. Bila pada tutup chamber bagian atas kita buat bermuatan positif, maka tetes tersebut
akan tertarik ke atas. Jika kedua plat diberikan tegangan, maka partikel (tetesan minyak) yang
telah bermuatan akan bergerak, di mana partikel yang bergerak ke atas (atau ke bawah dalam
pengamatan) merupakan partikel elektron (-) sedangkan yang bergerak ke bawah adalah
proton (+). Pada praktikum, tegangan sebesar 520 Volt mampu mengubah arah gerak
sehingga tetes minyak berada pada keadaan dinamis.
Melalui analisis data dengan metode dinamis, diperoleh nilai muatan elektron q
(1,63±0,187).10-19
sebesar
Coulomb
dan
dengan
metode
kesetimbangan
sebesar
(3,895±0,079).10-21 Coulomb, sedangkan menurut literatur adalah 1,602.10 -19 Coulomb,
sehingga dapat disimpulkan bahwa pengukuran muatan elektron dengan menggunakan
metode dinamis lebih akurat daripada dengan metode kesetimbangan. Perbedaan nilai q
antara literatur dengan hasil metode kesetimbangan yang terlalu jauh kemungkinan
disebabkan oleh :
-
Ketidaktelitian pengamatan tetes minyak karena mata pengamat yang terlalu lelah.
8
-
Tetes-tetes minyak yang ukurannya tidak sama besar (tidak homogen) sehingga
(mungkin) menyebabkan kecepatan jatuhnya berbeda-beda.
-
Ketidaksigapan praktikan dalam penentuan selang waktu.
H. KESIMPULAN
1. Percobaan Milikan dirancang untuk mengukur muatan listrik elektron dengan
menyeimbangkan gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang
berada antara dua buah elektroda sehingga membuktikan bahwa muatan listrik
(elektron) terkuantisasi secara diskrit, sebesar 1.602 × 10−19 Coulomb.
2. Jari-jari tetes minyak berdasarkan analisis :
3. Muatan listrik minyak berdasarkan analisis :
4. Tetes minyak dapat bergerak ketika diberikan tegangan sebesar 520 Volt karena tetes
minyak mengandung muatan akibat listrik statis karena adanya gesekan.
5. Berdasarkan analisis data praktikum ini, pengukuran muatan elektron dengan metode
dinamis memberikan hasil yang jauh lebih teliti dibandingkan metode kesetimbangan.
6. Perbedaan nilai muatan elektron q yang terlalu jauh antara literatur dengan metode
kesetimbangan kemungkinan besar dikarenakan ketidaktelitian dalam pengambilan
data karena mata pengamat cepat lelah.
DAFTAR PUSTAKA
Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern, alih bahasa : Hans J. Wospakrik dan Sofia
Niksolihin. Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia.
http://google.co.id
http://id.wikipedia.org
9
LAMPIRAN
a. Penurunan persamaan (5)
Subsitusi persamaan
ke persamaan
sehingga
diperoleh :
Jadi,
b. Penurunan persamaan (7)
Subsitusi persamaan
ke persamaan
sehingga diperoleh :
Jadi,
c. Penurunan persamaan (8)
10
Download