MUATAN ELEMENTER
ABSTRAK
Muatan elementer (tetes milikan) disebut juga sebagai percobaan oil-drop karena dirancang untuk mengukur muatan listrik. Muatan listrik sebagai muatan elementer dibawa oleh partikel dapat dihitung dengan mengukur gaya yang bekerja pada sebuah medan listrik yang diketahui nilainya. Tujuan dari percobaan tetes milikan ini untuk mempelajari cara menentukan muatan elementer. Percobaan yang dilakukan pada praktikum ini adalah menghitung jarak dan waktu tempuh tetesan naik dan turun minyak. Analisis dari percobaan Robert Andrew Millikan bahwa nilai muatan elementer electron adalah 1,6 1,6 x 10-19 C. Konstanta yang didapatkan tersebut diperoleh dari gaya-gaya yang bekerja pada partikel ketika berada pada daerah medan listrik (daerah kedua plat), diantaranya ada gaya gesek udara dengan partikel, gaya gravitasi pada partikel, da gaya oleh medan listrik serta gaya stokes.
Keywords ords : M uatan El Elementer nter, Ke Kecepat cepatan an Naik, Nai k, Ke Kecepat cepatan an turun turun
I.
Pendahuluan
Percobaan milikan disebut sebagai percobaan oil-drop karena dirancang untuk mengukur muatan listrik. Muatan listrik sebagai muatan elementer dibawa oleh partikel yang dapat dihitung dengan mengukur gaya yang bekerja pada partikel pada sebuah medan listrik yang diketahui nilainya. Walaupun relative lebih mudah untuk menghasilkan medan listrik, gaya yang bekerja oleh medan pada partikel pembawa muatan hanya satu dari beberapa elektron yang sangat kecil. Sebagai contoh, 1,6 x 10 -14 Newton pada sebuah partikel berisi satu elektron. Gaya ini dibandingkan dengan gaya gravitasi pada partikel dengan massa 10 -12 gram. Pada percobaan Milikan, minyak jatuh dengan percepatan tetapi dengan adanya gaya gesekan sehingga kecepatan minyak tetap (kecepatan termal). Jika kedua plat diberi tegangan, maka partikel (tetesan minyak) yang merupakan partikel elektron (+) sedangkan yang bergerak kebawah
1
adalah proton (-). Tetesan yang mengalami ke atas dapat berupa gaya stokes, gaya Archimedes, dan gaya gerak ke bawah. Selain itu juga menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua plat konduktor.
II.
Tujuan
Mempelajari cara menentukan muatan elementer.
III.
Tinjauan Pustaka
Electron merupakan partikel dasar penyusun atom yang ditemukan dengan menggunakan tabung kaca yang bertekanan sangat rendah yang tersusun dari plat logam sebagai elektroda pada bagian ujung tabung. Elektroda dengan kutub negative (katoda) dan elektroda dengan kutub positive (anoda). Pada tahun 1868 – 1953 oleh Robert A Milikan melakukan percobaan oil-drop untuk mengukur muatan listrik electron dengan menyeimbangkan gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes minyak yang berada diantara dua plat elektroda.
Menentukan Hubungan Antara Kecepatan Tetes Minyak dan Medan Listrik Gambar 1.1 menunjukkan gaya yang bekerja pada tetesan
Ff
ketika jatuh diudara dan mencapai kecepatan terminalnya. Ff menggambarkan gaya gesek dan Fg menggambarkan gaya yang diakibatkan oleh gravitasi. Dengan, Ff = -k Vo
Fg
Fg = -mg
Gambar 1.1
Vo adalah kecepatan terminal dari benda jatuh (nilainya negative atau konstan), k adalah koefisien gesek antara udara dan tetesan, m adalah massa dari tetesan, dan g adalah percepatan gravitasi. Ff + Fg = 0 Maka, k = -mg/ Vo
-k Vo + -mg = 0
-k Vo = mg
…………………(1)
2
Gambar 2.2 menunjukkan gaya yang bekerja pada tetesan ketika gaya meningkat dibawah pengaruh medan listrik. Ff = -k v
Fg = -mg
Fe = qE
Fe
E adalah medan listrik, q adalah muatan yang dibawa oleh tetesan, dan v adalah kecepatan.
Fg
Ff
Kombinasi setelah dimasukkan rumus maka didapatkan hasil,
v = -qVo E + Vo
……..(2)
Gambar 2.2
mg
F inding The Mass Untuk menghitung nilai a, menggunakan Hukum Stoke yang menyatakan hubungan antara jari-jari dari bentuk bola dengan kecepatannya
jatuh
pada
medium
viscous,
dengan
koefisien
viscousitasŋ. Gaya Stokes merupakan gaya keatas, semua berada jauh baik didalam air yang akan mengalami gaya keatas sehingga terjadi penghambatan sampai kecepatan menjadi konstan. a=
√
dengan,
……………(3)
ŋ adalah viskositas udara (1,8680 x 10 -5 Nsm-2), g adalah
gravitasi (9,80 m/s2), σ adalah rapat massa (886 kg/m3), ρ adalah rapat massa udara (1,1896 kg/m 2), dan Vt adalah kecepatan turun. Hukum Stoke, bagaimanapun juga, menjadi kurang tepat ketika kecepatan jatuh dari tetesan kurang dari 0,1 cm/s. (Tetesan mempunyai ini dan kecepatan kecil dengan radius, pada skala 2 mikro, dibandingkan dengan jarak bebas rata-rata molekul udara, kondisi yang mematahkan asumsi dari Hukum Stoke).
Menentukan Muatan Elementer Rumus untuk menentukan muatan elementer yang dibawa oleh tetesan minyak secara praktek adalah :
3
3
q = -4/3 π d a σg keterangan :
q π d a σ g b p
) ] {(Vt + Vn) / (ΔV. Vt)} [ √ 3
= muatan yang dibawa oleh tetesan minyak (C) = 3,14 = 0.01 m = jari-jari tetapan ke-i = rapat massa (886 kg/m3) = gravitasi (9,80 m/s2) = 8,22 x 10-3 Pa.m = tekanan atmosfer (101,1 x 103 Pa)
Jadi, pada percobaan ini elektron dapat bergerak keatas dan kebawah. Gaya-gaya keatas dengan medan listrik yang terjadi pada percobaan ini adalah : gaya berat karena setiap benda yang mempunyai massa pasti mengalami gaya berat, gaya stokes, dan gaya listrik pada plat konduktor diberi beda potensial (V).
IV.
Pembahasan
Salah satu tujuan dari percobaan muatan elementer (tetes milikan) ini adalah menentukan muatan elementer. Pada percobaan tetes minyak milikan ini mencoba menganalisis tentang kecepatan naik dan kecepatan turun dengan menggunakan milikan oil drop apparatus untuk mengetahui sifat diskrit muatan elektron, menentukan muatan satuan elektron (e). Percobaan pertama yang dilakukan adalah mengamati jarak dan waktu tempuh turun dari minyak akibat adanya pengaruh gravitasi. Waktu pada saat tetes minyak turun tidak beraturan sehingga data yang diperoleh menunjukkan hasil yang tidak stabil. Dengan jarak yang digunakan pada saat turun umumnya adalah 5x10 -5 meter. Percepatan electron pada kecepatan turun lebih kecil daripada kecepatan naik. Contoh data pertama : V turun1 = 1,82 x 10 -6 m/s V naik 1 = 2,66 x 10 -6 m/s Pada percobaan kedua yaitu mengamati jarak dan waktu tempuh naik pada minyak yang ditimbulkan karena adanya gaya stokes keatas. Dari hasil 4
pengamatan disimpulkan bahwa data yang diperoleh tidak begitu stabil sehingga nilainya acak ada naik dan turun. Contoh data ke-10 yang kecepatan naik besar dari kecepatan turun adalah : V turun 10
=
V naik 10 =
4,43 x 10 -6 m/s 96,10 x 10 -6 m/s
Sedangkan, pada data ke-5 kecepatan turun besar daripada kecepatan naik : V turun 5
=
7,87 x 10 -6 m/s
V naik 5
=
3,85 x 10 -6 m/s
Hal yang menyebabkan kecepatan naik lebih besar daripada kecepatan turun karena dipengaruhi dari pemberian tegangan listrik setiap kecepatan naik. Untuk memperoleh kecepatan keatas maka pada plat diberi beda potensial sehingga tetes minyak mengalami gaya keatas (stokes) yang dipercepat oleh adanya beda potensial. Disaat mengamati gerakan naik – turun tetesan minyak, cenderung bahwa gerakan turun tetesan lebih lambat di bandingkan gerakan naik tetesan. Ini disebabkan karena kotak pengontrol di negatifkan, sehingga gaya medan listrik menjadi sangat kuat, yang arahnya menuju keatas. Sedangkan gaya berat dan gaya gesekan udara konstan. Maka dari itu, kecepatan naik selalu lebih besar daripada kecepatan turunnya. Namun, pratikan masih ada mendapatkan bahwa kecepatan turun ada yang lebih besar dibandingkan kecepatan naiknya. Dari hasil percobaan dan perhitungan muatan elementer atau elektron memiliki sifat diskrit yaitu electron ada didalam bentuk paket-paket yang disebut kuanta. Secara literatur nilai dari suatu muatan elementer adalah 1,67.10-19 C. Sedangkan dalam pratikum, pratikan mendapatkan nilai muatan elementer adalah sebesar puluhan juta bilangan. Data ke 1 – 10 memiliki muatan yang pangkatnya sama, namun kendalanya ada yang bertanda negative.
5
Bisa dilihat pada table hasil pengamatan berikut : Data ke-i
Vti (m/s)
Vni (m/s)
ai (m)
eni (C)
1
1,82 x 10 -
2,66 x 10 -
1,28 x 10 -
10696182,48 x 10 -
2
5,89 x 10 -
11,90 x 10 -
2,39 x 10 -
16087353,42 x 10 -
3
4,04 x 10 -
7,68 x 10 -
1,98 x 10 -
13434495,35 x 10 -
4
4,86 x 10 -6
8,60 x 10 -6
2,17 x 10 -7
17080187,35 x 10 -19
5
7,87 x 10 -6
3,85 x 10 -6
2,76 x 10 -7
-19234407,39 x 10 -19
6
4,03 x 10 -
62,10 x 10 -
1,98 x 10 -
4760952,381 x 10 -
7
17,80 x 10 -
14,50 x 10 -
1,98 x 10 -
-9269260,233 x 10 -
8
8,69 x 10 -
4,63 x 10 -
4,15 x 10 -
9337191,45 x 10 -
9
5,09 x 10 -
14,60 x 10 -
2,90 x 10 -
42991231,75 x 10 -
10
4,43 x 10 -
96,10 x 10 -
2,07 x 10 -
4860070,547 x 10 -
Tabel 1 : Tabel hasil perhitungan nilai kecepatan naik, turun, jari-jari dan muatan elementer
Berikut ini adalah grafik e versus e n, yaitu :
Grafik e vs en
e.10-19 C 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2
en.10-25 C
0 0
5
10
15
20
25
Keterangan grafik : e = nilai muatan elementer secara teori. en = nilai muatan elementer secara praktek.
6
Karena hasil dari pratikumnya, berupa bilangan yang sangat besar. Maka skalanya dijadikan sedemikian. Dia berupa garis lurus, karena nilai dari muatan elementer yang secara teorinya, hanya bernilai satu saja yaitu 1,6.10-19 C. Dari eksperimen yang dilakukan bisa dikatakan ada sedikit kendalanya karena pada saat akan mengamati elektron ada beberapa elektron yang nampak sehingga untuk memilih satu elektron dibutuhkan ketelitian yang sangat besar agar memperoleh nilai akurat dan waktu yang dibutuhkan juga tepat sesuai dengan teorinya. V.
Penutup
Percepatan elektron pada kecepatan turun lebih kecil daripada kecepatan naik. Kecepatan naik lebih besar dibandingkan kecepatan turunnya, diakibatkan oleh kotak kontrol yang dinegatifkan, membuat medan listrik menjadi kuat. Semakin lama kecepatannya semakin lambat sehingga data yang diperoleh tidak begitu stabil baik kecepatan naik maupun kecepatan turun minyak. Sehingga jari-jari pun menjadi besar. Karena antara jari – jari sebanding dengan kecepatan turun tetesan. Semakin besar jari – jari, semakin besar pula volume dari tetesan minyaknya, sehingga kemungkinan untuk menangkap ionisasi dari radioaktif semakin besar. Perhitungan muatan elementer atau elektron memiliki sifat diskrit yaitu elektron ada didalam bentuk paket-paket yang disebut kuanta. Harga muatan elektron menurut teori yaitu C, sedangkan hasil dari eksperimen untuk nilai e berkisar 10-19 C. Untuk praktikan selanjutnya disarankan agar sebelum melakukan eksperimen untuk memahami dan mempelajari materi tentang apa yang akan dilakukan pada saat eksperimen. Agar tidak terjadi kesalahan dalam mengamati, sehingga dapat memperoleh nilai yang akurat dan sesuai dengan teori. Selain itu alat-alat yang digunakan juga harus efisien agar tidak menghambat jalannya pratikum
7
Daftar Kepustakaan
Muttaqin, Afdhal. 2011. Pedoman Fisika Eksperimen I. Padang : UNAND. Paul, Tipler. 1998. Konsep Fisika Modern . Jakarta : Erlangga http://id.wikipedia.org/wiki/tetesan_milikan. Rabu. 28-09-2011. 09.31 AM. www.google.com_percobaan_tetes_milikan. Rabu. 28-09-2011. 09.31 AM.
8
