MILIKAN Novita Indah Pratiwi, Safira Artha Paramita, Novita Suci Wulandari,Ulfatun Khasanah Khasanah Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Matematika Universitas Diponegoro Jl. Prof.Soedarto Tembalang, Semarang, Indonesia e-mail :
[email protected]
Abst Abstrak Percobaan yang kami kami lakukan adalah Milikan (Tetes Minyak Milikan). Percobaan ini bertujuan untuk menentukan r dari suatu suatu muatan, dan nilai dari muatan muatan itu dengan tegangan mengambang, percepatan naik dan turun. Percobaan ini percepatan naik turun berprinsip pada medan listrik dengan variasi tegangan 100 V, 200 V, dan 300 V. Dan di akhir percobaan, didapatkan hasil berupa jari-jari butiran pada saat tegangan V= 0 dalam 3 kali pengulangan adalah 1,2x10-6 m, 1,2x10-6 m, 1,2x10-6 m. Sedangkan muatan butiran pada tegangan 30 V adalah 1,19x10 -17 C, muatan butiran pada tegangan 25 V adalah 1,43x10 -17 C, dan muatan butiran saat tegangan 25 V adalah 1,43x10-17 C. Dan dengan menggunakan percepatan naik Q nya berturut-turut dalam 3 kali percobaan adalah 80,02x10-19 C, 69,3x1019 C, 34,,89x10-19 C. Dan dengan menggunakan percepatan turun Q nya berturut-turut dalam 3 kali percobaan adalah 30,4 x10 -19 C, 38,4x10-19 C, 10,5x10-19 C Gaya Archimedes, Gaya Stokes, Medan listrik, Viskositas. K eyword yword — Gaya
Abstract The experiment we did was Milikan (Oil Drops). This experiment aims to determine r of a charge, and the value of the charge with a floating voltage, acceleration rise and fall. This experiment is a principle up and down acceleration in an electric field with a voltage variation of 100 V, 200 V, and 300 V. And at the end of the experiment, the result is a granular radius when the voltage V = 0 in 3 repeats is 1.2 x 10-6 m, 1.2x10-6 m, 1.2x10-6 m. While the granular charge at a voltage of 30 V is 1.19x10-17 C, the granular charge at 25 V is 1.43 × 10-17 C, and the granular charge at 25 V is 1.43 × 10-17 C. And by using an acceleration of Q respectively in 3 experiments were 80.02x10-19 C, 69.3x10-19 C, 34,, 89x10-19 C. And by using the acceleration of Q decrease successively in 3 times the experiment was 30.4 x 10 -19 C, 38.4x10-19 C, 10.5x1019 C Keyword- Style Archimedes, Stokes Style, Electric field, Viscosity.
PENDAHULUAN Selama periode tahun 1909 hingga 1913, Robert Milikan menampilkan sebuah eksperimen yang luar biasa untuk mengukur muatan elektron. Besaran dari muatan dasar di atas elektron dan mendemonstrasikan kuantitas alam dari muatan ini. Peralatan yang ia gunakan digambarkan pada gambar 1 di bawah ini.
Gambar 1. Robert Milikan
Peralatan
Eksperimen
Peralatan-peralatan tersebut terdiri dari dua lempeng logam yang dipasang secara paralel. Penyemprot minyak yang terdapat lubang kecil di ujungnya dapat dengan mudah memasuki lubang kecil di bagian atas lempengan. Robert Millikan waktu itu menggunakan sinar x-ray untuk mengionkan udara di dalam ruangan. Dengan begitu, elektron-elektron bebas akan mengikuti
minyak yang dijatuhkan, dan memberi tetesan-tetesan minyak tersebut bermuatan negatif. Secara horizontal, apabila dilihat, cahaya langsung digunakan untuk menyinari tetesan-tetesan minyak, agar dapat dilihat melalui teleskop yang dipasang secara sejajar dengan sumber cahaya tersebut. Saat tetesan-tetesan tersebut dilihat pada kondisi ini, tetesan-tetesan tersebut muncul bagaikan bintang-bintang yang bersinar dengan latar belakang yang gelap, dan jumlah tetesan ke bawah dapat ditentukan. Dapat diasumsikan bahwa setiap butir tetesan minyak memiliki sebuah massa m dan membawa sebuah muatan q yang muatan tersebut adalah muatan negatif. Apabila tidak ada medan listrik yang beroperasi di antara pelat logam. Terdapat dua gaya yang bekerja pada muatan tersebut, yakni gaya berat gravitasi mg yang bergerak ke bawah (ada pula gaya apung di atas butiran minyak dikarenakan udara yang mengelilingi tetesan minyak tersebut. Gaya ini bisa digantikan dengan gaya berat gravitasi mg di bawah, sehingga gaya apung ini tidak termasuk dalam analisis). Selain gaya berat gravitasi, terdapat pula gaya viskositas Fd yang bergerak ke atas seperti adagambar 2.2 di bawah ini. Gambar 2. Gaya pada Butiran Minyak. Gaya viskositas besarnya sama dengan kecepatan tetesan minyak. Saat tetesan minyak tersebut mencapai kecepatan terminalnya (v), dua gaya (gaya viskositas dan gaya berat gravitasi) tersebut akan senilai satu sama lain dan membentuk persamaan (1) seperti di bawah ini (Serway, 2004).
m g Fd ............(1) Sebelum diberikan medan listrik pada ion yang jatuh, maka ion tersebut dipengaruhi oleh gaya beratnya (W ) yang membuat ion tersebut jatuh, namun karena diimbangi oleh Gaya Archimedes ( F A) dan Gaya Stokes ( F S) , maka ion tersebut akan berada dalam kecepatan yang konstan dan bergerak perlahan. ...................(2)
+ =
Apabila beda potensial diberikan, maka akan ada medan listrik yang mempengaruhi gerak ion tersebut. Ion negatif akan tertarik ke anoda, karena mendapatkan Gaya Coloumb ( F C) . Sedangkan gaya gesenya (Gaya
Stokes) akan bernilai kebalikan dari Gaya Stokes pada saat belum diberi beda potensial, sehingga persamaannya menjadi:
+ = +
Bila terdapat medan listrik di antara pelat-pelat tersebut, dengan pelat atas memiliki potensial yang lebih besar daripada plat yang di bawah. Pada kasus ini, muncul gaya ketiga yaitu gaya qE yang bertindak sebagai muatan tetesan minyak. Karena q bermuatan negatif dan E secara langsung mengarah ke bawah, gaya listrik qE ini secara langsung ke atas seperti pada gambar 3 di bawah ini.
Gambar 3. Gaya pada Tetesan Minyak saat Dialiri Listrik Jika gaya ini sangat kuat, tetesan minyak tersebut akan bergerak ke atas dan FD’ bergerak ke bawah. Saat gaya listrik ke atas qE sebanding dengan jumlah gaya berat gravitasi mg dan Fd’, butiran minyak tersebut akan mencapai kecepatan terminal yang baru (v’) ke atas[1]. Dengan medan listrik yang menyala, butiran minyak bergerak perlahan ke atas, sekitar ratusan sentimeter per sekon. Setelah merekam ribuan tetes, Millikan dan asistennya menemukan semua tetesannya, dengan presisi 1%, memiliki muatan yang besarnya sama dengan muatan dasar e, dan dirumuskan sebagai q n e .........(2) Di mana e=1,6 10-19 C Medan listrik adalah sebuah medan vektor, yang merupakan distribusi vektorvektor, di mana setiap titik dalam ruangan di sekitar suatu objek bermuatan, seperti batang bermuatan, memiliki sebuah vektor (nilai dan arah). Ada dasarnya, medan listrik dapat didefinisikan pada suatu titik di dekat objek permuatan tersebut. Terdapat Muatan q0 yang disebut muatan uji di titik P, kemudian gaya elektrostatik F pada muatan tersebut
diukur, hingga akhirnya E (medan listrik) dapat didefinisikan sebagai berikut .(3) Maka, magnitude medan listrik E di titik P adalah , dan arah E adalah sama dengan arah F yang bekerja ada muatan positif. Satuan internasional untuk medan listrik adalah Newton per Coloumb (N/C)[2]. Fluida yang riil memiliki gesekan internal yang besarnya tertentu yang disebut viskositas. Viskositas ada pada zat cair maupun gas, dan pada intinya merupakan gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida pada waktu laisanlapisan tersebut bergerak satu melewati yang lainnya. Pada zat cair, viskositas terutama disebabkan oleh gaya kohesi antar molekul. Pada gas, viskositas muncul dari tumbukan antar molekul[3]. Fluida yang berbeda memiliki viskositas (kekentalan) yang berbeda pula. Viskositas zat yang berbeda dapat dinyatakan dengan μ (eta) yang disebut sebagai koefisien viskositas. Satu lapisan tipis fluida diletakkan diantara dua lempeng yang rata. Satu lempeng diam, dan satu lempeng bergerak dengan laju konstan. Fluida yang langsung bersentuhan dengan lempeng akan ditahan pada permukaan oleh gaya adhesi antara molekul zat cair dengan lempeng. Sehingga, fluida yang bersentuhan dengan lempeng yang bergerak akan bergerak dengan kecepatan sama seperti lempeng dan fluida yang bersentuhan lempeng yang diam akan diam juga. Lapisan fluida yang diam menahan aliran lapisan yang persis di atasnya, dan begitu seterusnya, hingga terbentuk kecepatan yang bervariasi dari 0 hingga v. Perubahan kecepatan dibagi dengan jarak terjadinya perubahan ini yang disebut gradient kecepatan. Untuk menggerakkan lempeng yang atas diperlukan gaya yang besarnya dapat ditentukan dengan persamaan (3) di bawah ini[4]. F
A
v l
............... (3)
George Gabriel Stokes adalah seorang profesional yang menekuni tentang semua yang berkenaan dengan fluida. Stokes selalu meneliti segala peristiwa yang merupakan viskositas. Dari penelitiannya, George Stokes ini menemukan suatu persamaan yang menyatakan besarnya suatu gesek pada sebuah fluida dan persamaan tersebut dirumuskan sebagai F
6 rv ................(4)
Di mana F adalah Gaya Stokes, μ adalah koefisian viskositas, r adalah jari-jari bola atau benda dalam fluida, dan v adalah kecepatan bola dalam fluida. BERIKUT ADALAH PENJABARAN RUMUS YANG DIGUNAKAN DALAM MENCARI r, dan Q
+ = + = + + = + =
Bila diberi beda potensial
Pergerakan ion sebelum diberi medan listrik, adalah
′
Dengan kehadiran medan listrik,
+ = + + = + = = 6
′′
Diketahui,
, dengan d adalah jarak antar
plat.
,
dengan
adalah
viskositas udara dan r adalah jari-jari ion.
Karena
tetesan
berbentuk
bola,
maka jari-jarinya dapat dihitung
= (43 )
Pada waktu tertentu ion
akan bergerak dengan persamaan
= saat
′
, dimana kecepatan pada
itu
merupakan
kecepatan
terminal, maka
= 4= 6 (3 ) = 6 = √ 92
′
′
′
Dengan menggunakan persamaan,
+ = − = − = = − (43 ) − = 4 − (3 ) − = (43 ) − + (43 ) − = (43 ) −1 + ′
′
′
′′
′
′′
′′
= (43 ) − + = + − = − = (43 ) − + ⁄ 4 9 = 3 2 − + ⁄ 4 9 = 3 (2 −) ⁄ + − ′
Maka, persamaan
′
′′
′
′
′
′′
′
′
′
′′
′
Alat yang digunakan oleh Milikan untuk menentuka harga muatan elektron adalah sebagai berikut :
massa jenis (yang disemprotkan dari sprayer) setelah diionisasi masuk ke ruangan antara dua pelat yang berisi udara dengan massa jenis ’ dan viskositasnya . Diasumsikan bahwa ion tetes minyak ini berbentuk bola dengan jari-jari r. Apabila kedua pelat belum diberi beda potensial, maka gaya yang bekerja pada ion adalah gaya gravitasi, gaya apung Archimedes dan gaya gesek. Kemudian kedua plat diberi beda potensial, maka pada ion akan bekerja gaya listrik (gaya Coulumb) dan bergerak lagi dengan kecepatan konstan. Secara teoritis persamaan muatan ion tetes minyak adalah sebagai berikut sebagai berikut :
Adapun prinsip kerja alat tetes minyak Milikan adalah sebagai berikut : tetes minyak dengan
DATA HASIL PERCOBAAN
9 ' q d ' 3 2 4
3
1
2
v ' 2 v " v ' g V
dengan : d = jarak antara kedua pelat. = viskositas minyak. = Massa jenis minyak sillikon ’= Massa jenis udara v’ = kecepatan muatan ion sebelum diberikan medan listrik v” = kecepatan muatan ion set elah diberikan medan listrik
Untuk metode jari-jari r1
1,23x10-6 m
r2
1,23x10-6 m
r3
1,23x10-6 m
Pada metode Keseimbangan q1
119,2x10-19 m
q2
143,1x10-19 m
q3
1,23x10-19 m
Pada metode percepatan naik PERCOBAAN KERJA 1. Menyiapkan alat yang akan digunakan, pastikan alat yang akan digunakan dalam keadaan baik. 2. Meng-0n kan power supply serta lampu didalam alat itu supaya muatan ion terlihat pergerakannya 3. Menyemprotkan minyak dengan mengunakan sprayer pada lubang, pastikan minyak tersebut masuk pada alat yang digunakan.. 4. Mengamati tetesan minyak yang jatuh ke dalam alat dengan menggunakan teleskop (mikroskop). 5. Mencatat waktu yang diperlukan oleh muatan ion untuk bergerak menempuh jarak sejauh y sebelum diberi medan listrik. 6. Memberikan medan listrik pada alat yang digunakan 7. Mencatat waktu yang diperlukan oleh muatan ion untuk bergerak menempuh jarak sejauh y’ setelah diberi medan listrik. 8. Melakukan percobaan ini dengan 3 kali pengulangan
q1
80,6x10-19 m
q2
69,34x10-19 m
q3
34,49x10-19 m
Pada metode percepatan turun q1
30,4x10-19 m
q2
10,52x10-19 m
q3
38,44x10-19 m
KESIMPULAN
Kesimpulan percobaan ini adalah didapatkan data berupa r dan muatan menentukan r dari suatu muatan. Metode r adalah denganmetode jari-jari dan nilai dari muatan itu dengan tegangan mengambang, percepatan naik dan turun. Percobaan ini percepatan naik turun berprinsip pada medan listrik dengan variasi tegangan 100 V, 200 V, dan 300 V. Dan di akhir percobaan, didapatkan hasil berupa jari-jari butiran pada saat tegangan V= 0 dalam 3 kali pengulangan adalah 1,2x10 -6 m, 1,2x10 -6 m, 1,2x10-6 m. Sedangkan muatan butiran pada tegangan 30 V adalah 1,19x10 -17 C, muatan butiran pada tegangan 25 V adalah 1,43x10 17 C, dan muatan butiran saat tegangan 25 V adalah 1,43x10 -17 C. Dan dengan menggunakan percepatan naik Q nya berturut-turut dalam 3 kali percobaan adalah 80,02x10 -19 C, 69,3x10-19 C, 34,,89x10 -19 C.
Dan dengan menggunakan percepatan turun Q nya berturut-turut dalam 3 kali percobaan adalah 30,4 x10 -19 C, 38,4x10-19 C, 10,5x10 19 C Hasil yang kami dapat berbeda dengan literatur yakni 1,6x10 -19 C. Dapat ditinjau dari berbagai kesalah mulai pengamatan yang kurang teliti dan ketidakpastian perhitunga.
SARAN. Dalam praktikum selanjutnya disarankan lebih teliti .
Daftar Pustaka
Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern (Terjemahan oleh The Houw Liong). Jakarta: Erlangga Muhammadradil, 2012. Percobaan Tetes Minyakn Milikan, (http://muhammadradil.blogspot.com/). Diakses pada tanggal 30 Mei 2013. Feryardi, 2011. Percobaan Tetes Minyak Milikan, (http://feryardi.blogspot.com/2011/09/percobaan-tetes-minyak-milikan.html). Diakses pada tanggal 30 Mei 2013. Tim Dosen Fisika UPI. 2009. Eksperimen Fisika I . Bandung: Jurusan Pendidikan Fisika FPMIPA UPI.
