Abstrak
Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan 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 antara ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat coilhelmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentrifugal yang membuat elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda. Proses pengukuran perbandingan rasio muatan dan massa elektron dipengaruhi oleh adanya tegangan dan aliran arus pada kumparan helmholtz yang pada akhirnya menghasilkan medan magnet . Kata kunci : Coilhelmholtz, Rasio muatan dan massa elektron, Tegangan
elektroda, Radius lintasan elektron, Medan Magnet.
I.
PENDAHULUAN
Elektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif dan umumnya ditulis sebagai e-. Elektron tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur apapun yang diketahui, sehingga ia dipercayai sebagai partikel elementer pada elementer pada tahun 1897 oleh J.J Thompson. Elektron merupakan salah satu dari tiga sub partikel dasar penyusun atom yang juga merupakan partikel fundamental dalam sifat kelistrikan secara mikro. Oleh karena itu, eksperimen mengenai sinar katoda termasuk eksperimen yang penting dalam perkembangan bidang kelistrikan. Pada tahun 1869, Fisikawan Jerman Johann Wilhelm Hittorf menemukan sebuah pancaran yang dipancarkan dari katoda yang ukurannya meningkat seiring dengan menurunnya tekanan gas. Pada tahun 1876, fisikawan Jerman Eugen Goldstein menunjukkan bahwa sinar pancaran ini menghasilkan bayangnya, dan ia menamakannya sinar katoda. Semasa tahun 1870-an, kimiawan dan fisikawan Inggris William Crookes mengembangkan tabung katoda pertama yang vakum. Ia kemudian menunjukkan sinar berpendar yang tampak di dalam tabung tersebut membawa energi dan bergerak dari katoda ke anoda. Lebih jauh lagi, menggunakan medan magnetik, ia dapat membelokkan sinar tersebut dan mendemonstrasikan bahwa berkas ini berperilaku seolah-olah ia bermuatan negatif.
Fisikawan
Britania
kelahiran
Jerman Arthur Schuster memperluas Schuster memperluas
eksperimen Crookes dengan memasang dua pelat logam secara paralel terhadap
sinar katoda dan memberikan potensial listrik antara dua pelat tersebut. Medan ini kemudian membelokkan sinar menuju pelat bermuatan positif, memberikan bukti lebih jauh bahwa sinar ini mengandung muatan negatif. Dengan mengukur besar pembelokan sinar sesuai dengan arus listrik yang diberikan, pada tahun 1890, Schuster berhasil memperkirakan rasio massa terhadap muatan komponenkomponen sinar. Namun, perhitungan ini menghasilkan nilai yang seribu kali lebih besar daripada yang diperkirakan, sehingga perhitungan ini tidak dipercayai pada saat itu. Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan 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 antara ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat coilhelmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentrifugal yang membuat elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrikantara
katoda dengan anoda.
Thompson juga
menunjukkan bahwa nisbah massa terhadap muatan, e/m, tidak tergantung pada material katoda. Ia lebih jauh lagi menunjukkan bahwa partikel bermuatan negatif yang dihasilkan oleh bahan-bahan radioaktif, bahan-bahan yang dipanaskan, atau bahan-bahan yang berpendar bersifat universal. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh Thompson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali hubungan-hubungan tersebut. Pada eksperimen ini, jari
– jari
kumparan sama dengan jarak antar
kumparan. Geometri ini memberikan medan magnet yang sangat seragam dekat pusat kumparan. Kumparan helmholtz dari apparatus e/m memiliki radius dan pemisahan 15 cm. Setiap kumparan memiliki 130. Medan magnet (B) yang dihasilkan oleh kumparan sebanding dengan arus (I) dengan persamaan :
Gaya magnet Fm bekerja pada partikel bermuatan dari muatan q bergerak dengan kecepatan V dalam medan magnet B dengan persamaan :
Elektron bergerak dalam lintasan melingkar berjari
–
jari, dengan gaya
magnet yang sama dengan gaya sentrifugal :
Besarnya muatan (q) dari elektron :
Elektron dipercepat melalui potensial V mempercepat mendapatkan energi kinetik :
(⁄)
Kecepatan elektron :
⁄
(⁄) Sehingga diperoleh :
⁄ ⁄()
Percobaan mengenai sinar katoda adalah salah satu eksperimen untuk mengetahui karakteristik 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. Eksperimen juga bertujuan untuk mempelajari gerak elektron dalam medan magnet dan untuk menentukan rasio muatan dan massa elektron (e/m).
II.
METODE PERCOBAAN
Eksperimen ini terbagi kepada dua macam percobaan , yaitu : pengukuran e/m dan defleksi dari elektron pada medan listrik. Pada pengukuran e/m dilakukan petama, penutup kain menutupi e/m jika bekerja pada ruangan bercahaya. Lalu diletakkan switch pada posisi MEASURE e/m. Knob pengatur arus untuk kumparan Helmholtz diputar pada posisi OFF. Lalu sumberdaya dan pengukur bagian depan alat dihubungkan sesuai skema gambar. Sumber tegangan diatur pada level : elektron gun ( heater = 6,3 V AC/DC , elektrodes 150 s.d 300 V DC, Helmholtz Coils 6-9 V DC ripple harus kurang dari 1 %). Kemudian tombol penagatur arus diputar perlahan searah putaran jam untuk kumparan helmholtz, lalu diperhatikan ammeter agar arus tidak lebih dari 2 A. Ditunggu beberapa menit untuk memanaskan katoda. Disaat katoda lebih panas, akan terlihat bekas keluar dari elektron gun dan akan membentuk kurva oleh medan magnet helmholtz. Jika tidak, putar tabung hingga berkas sejajar. Jangan keluarkan dari tempatnya. Saat tabung diputar, tempatnya juga ikut berputar. Dengan hati- hati, arus pada kumparan Helmholtz dibaca dari ammeter dan tegangan pemercepat segera dibaca pada Voltmeter. Pembacaan dicatat! Lalu, radius dari berkas elektron diukur secara hati- hati melalui tabung pada berkas elektron. Untuk menghindari kesalahan paralax, tangan digerakkan untuk menyejajarkan berkas elektron dengan berkas refleksi yang dapat dilihat pada cermin skala. Radius diukur dari berkas sebagaimana yang terlihat pada kedua sisi skala, dan hasilnya dirata- ratakan.
III.
PEMBAHASAN
Proses pengukuran rasio perbandingan e/m dipengaruhi oleh adanya tegangan dan aliran arus pada kumparan helmholtz yang pada akhirnya menghasilkan medan magnet. Sehubungan dari proses pengukuran tersebut, maka pada pengukuran e/m ini dilakukan 2 jenis percobaan yaitu variasi tegangan (V) dan variasi arus (I). Harga perbandingan e/m dipengaruhi oleh hubungan antara nilai arus (I), tegangan elektroda (Volt) dan radius li ntasan elektron (r). Hubungan variasi tegangan (V) terhadap kecepatan elektron yaitu hubungan yang sebanding. Ketika beda potensial yang dialirkan pada set tabung e/m semakin besar maka akan semakin meningkatkan proses pemanasan filament
yang menyebabkan pergerakan elektron dari katoda ke anoda. Kecepatan pergerakan elektron ini adalah seberapa besar beda potensial yang diberikan untuk memanaskan filament yang dapat menyebabkan aliran elektron dari katoda ke anoda. Sedangkan pada variasi arus (I), tidak dapat dilihat hubungannya karena nilai kecepatan elektron tidak kontinu yang artinya ada yang berkurang dan ada juga yang bertambah. Untuk pengaruh variasi arus (I) terhadap medan magnet (B) hubungannya adalah berbanding lurus. Ketika arus dialirkan pada kumparan Helmholtz yang merupakan gulungan kawat maka akan menimbulkan medan magnet, jadi besar medan magnet yang dihasilkan pada kumparan Helmholtz tergantung pada seberapa banyak arus (I) yang dialirkan pada kumparan tersebut, hal inilah yang menyebabkan hubungan antara medan magnet (B) terhadap arus (I) adalah berbanding lurus. Pada variasi tegangan (V), medan magnet didapat nilai yang konstan. Hal ini disebabkan karena rumus yang digunakan adalah
. Hubungan gaya lorentz terhadap jari – jari pergerakan yaitu, pada variasi arus (I) mempunyai hubungan semakin kecil gaya lorentz yang dihasilkan maka semakin besar jari – jari lintasan pergerakan elektron. Pada variasi tegangan, juga didapat hubungan seperti pada variasi arus, yaitu semakin kecil gaya lorentz, maka semakin besar jari – jari lintasan pergerakan elektron. Hubungan variasi arus (I) dan variasi tegangan (V) terhadap nilai e/m dapat dilihat pada bentuk grafik yang terbentuk berdasarkan plot data. Berikut adalah grafik hubungan variasi beda potensial (V) dan variasi arus (I) terhadap e/m :
Variasi Arus y = 3E-12x + 360 R² = #N/A
360 360 t 360 l o V360 * 2
360 360 360 360 10.000010.200010.400010.600010.800011.000011.200011.400011.6000 (Br) (10E-10)
Variasi Tegangan 450 400
y = 27.953x + 83.083 R² = 0.9736
350 300 t l o 250 V * 200 2
150 100 50 0 0
2
4
6
8
10
12
(Br) (10E-10)
Dapat dilihat pada grafik variasi tegangan (V), didapat nilai persamaan linier yang diperoleh untuk hubungan tegangan (V) terhadap kuadrat radius adalah 27,95 x + 83,08 dengan besar = 0,973. Pada grafik ini terlihat bentuk garis lurus tidak cendrung mendekati titik- titik koordinat data, hal ini menunjukkan bahwa nilai e/m yang diperoleh dari eksperimen ini memiliki perbedaan yang signifikan dengan nilai e/m yang telah ditetapkan pada literatur. Grafik hubungan variasi arus (I) terhadap e/m diperoleh nilai R yang tidak terdefinisi dengan persamaan linier 6E-13x + 360. Hal ini disebabkan karena salah satu variabel yang dibutuhkan untuk memplot data adalah konstan karena pada percobaan dengan variasi arus, tegangan (V) diset dengan nilai konstan.
IV.
PENUTUP
Proses pengukuran rasio perbandingan e/m dipengaruhi oleh adanya tegangan dan aliran arus pada kumparan helmholtz yang pada akhirnya menghasilkan medan magnet . Harga perbandingan e/m dipengaruhi oleh hubungan antara nilai arus (I), tegangan elektroda (Volt) dan radius lintasan elektron (r). Untuk pengaruh variasi arus (I) terhadap medan magnet (B) hubungannya adalah berbanding lurus. Pada variasi tegangan (V), medan magnet didapat nilai yang konstan. Hal ini disebabkan karena rumus yang digunakan adalah . Nilai e/m dapat dilihat pada grafik variasi arus dan variasi tegangan yang terdapat pada pembahasan.
Referensi
Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern Jilid Keempat . Jakarta : Erlangga. Giancolli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid 2 Edisi Kelima. Jakarta : Erlangga. Halliday and Resnik. 1991. Fisika Jilid 2. Jakarta : Erlangga. Tim Penyusun Panduan Praktikum Laboratorium Atom dan Inti. 2007 . Pedoman Fisika Eksperimen I . Jurusan Fisika. FMIPA: Universitas Andalas.
JURNAL FISIKA EKSPERIMEN 1 MODUL A.O.6 RASIO MUATAN DAN MASSA ELEKTRON
NAMA
: SONYA RAHAYU
NO.BP
: 0910441022
HARI/TANGGAL
: JUMAT/7 OKTOBER 2011
SHIFT/KELOMPOK
: II / II
REKAN KERJA
: HERLINA NAINGGOLAN
ASISTEN
: EKO SATRIA
LABORATORIUM FISIKA ATOM DAN INTI JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS ANDALAS PADANG,2011
