Nur Alisya Ibrahim1), Muchlis2), Siti Halija3), Ahmad Sahabuddin4) Agustina Limbong Allo
Laboratorium Fisika Modern Universitas Negeri Makassar
Abstrak – percobaan ini bertujuan untuk menentukan besar muatan elementer dari partikel elektron. Penentuan besar muatan elementer partikel elektron dilakukan dengan mengamati peristiwa naik turunnya pergerakan dari tetesan-tetesan minyak dan menghitung waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak ke atas dan ke bawah. Hasil pengamatan kemudian diolah untuk menghitung kecepatan tetes minyak saat naik dan turun, jari-jari tetes minyak, serta muatan tetes minyak dengan dan tanpa faktor koreksi. Selain itu, diperoleh pula besar muatan elementer elektron yaitu 1,34 x 10-19 C, Hasil yang diperoleh kurang baik, karena memiliki persen perbedaan 16,10 %.
KATA KUNCI : muatan elementer elektron, muatan tetesan, tetesan minyak
Abstract - This experiment aims to determine the elementary charge of electron particles. Determination of the elementary element charge of an electron particle is done by observing the ups and downs of the movement of oil droplets and calculating the time taken by oil droplets to move up and down. The results of the observations are processed to calculate the speed of drops of oil when rising and falling, the drops of oil, and the load of oil drops with and without a correction factor. Besides that, it is also obtained the large elemental electron charge of 1.34 x 10-19 C, the results obtained are not good, because it has a difference of 16.10%.
KEYWORDS : droplet charge, electron elementary charge, oil droplets
PENDAHULUAN
Pada tahun (1896-1953) Robert. A. Milikan melakukan percobaan dengan meneteskan minyak melalui dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diukur sehingga gaya elektrolistrik mampu membuat tetes minyak berhenti. Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami percepatan ke bawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya stokes. Sehingga akan terjadi keseimbangan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik diantara dua plat konduktor tersebut. Eksperimen tetes minyak milikan merupakan eksperimen dalam menetukan muatan suatu elektron (e) dan bilangan avogadro (N) berdasarkan persamaan Faraday dengan mengetahui sifat diskrit dari muatan elektron. Butiran minyak tersebut juga dipengaruhi oleh gaya Archimedes. Mengingat hal tersebut merupakan asas yang paling fundamental dalam mempelajari karakteristik atomik maupun kelistrikan secara mikro, maka eksperimen ini perlu untuk dilakukan [3].
Percobaan milikan disebut juga sebagai percobaan Oil Drop. Elektron mempunyai peran penting dalam mempelajari gejala kelistrikan kemagnetan. Dengan mengembangkan gaya-gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua pelat elektroda. Minyak diteteskan dengan tetesan kecil melalui dua plat logam dengan dua buah plat yang dapat menarik muatan listrik dari tetesan minyak pada palat bagian atas. Jika beda tegangan diatur agar mengimbangi gaya gravitasi pada tetes minyak, maka partikel-partikel minyak yang mengandung muatan akan melayang karena keseimbangan gaya tersebut. Pada keadaan ini gaya gravitasi sama dengan gaya elektrostatik, sehingga muatan dapat diketahui besarnya [1].
Eksperimen tetes minyak milikan merupakan percobaan untuk menunjukkan bahwa elektron bersifat diskrit yaitu gaya ke bawah pada tetes milikan (percepatan ke bawah) akan terhambat oleh suatu gaya stokes (gaya penghambat). Hal tersebut dapat terjadi ketika minyak milikan jatuh ke udara. Yang selanjutnya akan mengalami percepatan ke bawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi. Sedangkan pada saat yang sama gerak tetes minyak milikan tersebut dihambat oleh gaya stokes. Kecepatan tetes minyak tersebut akan meningkat sampai mencapai kecepatan stasioner ketika gaya berat kebawah sama dengan gaya stokes ke atas [3].
Pada tahun 1909 R.A. Milikan mengukur muatan listrik ion-ion di udara dengan menyemprotkan butir-butir embun minyak diantara dua keping kondensator. Butir-butir embun minyak itu akan segera ditempeli ion-ion di udara sehingga oleh medan listrik yang kuat medannya E diantara dua keping itu, butir kabut minyak yang mengandung muatan listrik q akan mengalami gaya elektrolistrik coulomb sebesar qE. Di samping itu, butir yang massanya m, jatuh oleh gaya berat mg serta mengalami gaya gesekan stokes sebesar 6 πrvη dimana r jari-jari, v kecepatan gaya butir, η koefisien viskositas udara. Kecuali itu, butir embun atau kabut minyak tersebut sudah tentu juga akan mengalami gaya ke atas Archimedes (A) [4].
Dengan tiada medan listrik, butir kabut minyak akan jatuh bebas dengan kecepatan yang mkain besar sampai cukup besar hingga gaya gesekan viskositas stokes cukup besar untuk mengatasi gaya berat. Misalkan pada saat itu kecepatan jatuhnya v0. Maka berlaku persamaan mg− A=6 πr v0 η
Atau
4/3 πr03 ∆ρg - 4/3 πr03 ∆ρg=6πηr0 v (1)
Apabila v1 ialah kecepatan jatuh butir minyak yang sudah tetap, yaitu sesudah gaya jatuhnya tepat diimbangi oleh gaya gesekan viskositas .
F1= -6πηr0 v1 (2)
Tetesan minyak yang bergerak dalam pengaruh medan listrik E, memenuhi hukum Stokes,
F2= -6πηr0 v2 (3)
Resultan kedua gaya pada persamaan (2) dan persamaan (3) sama dengan q0E yaitu,
E0=(q0U)/d=F1-F2=6πηr0 d(v1+v2)
Atau
q0=(6πηr0 d(v1+v2))/U (4)
Untuk menentukan muatan q0 kita perlu mengetahui besar jari-jari tetesan r0. Nilai ini diperoleh dari resultan gaya gravitasi F = -V. ∆ρ.g dengan gaya Stokes, dimana ∆ρ adalah perbedaan antara kerapatan udara dengan minyak. Dengan demikian,
0=F+F1=-4/3 πr03 ∆ρg+6πηr0 v
Atau
r0=√((9ηv1)/(2 ∆ρg)) (5)
Untuk penentuan nilai muatan q yang lebih akurat, harus diperhitungkan bahwa gesekan Stokes mempunyai faktor koreksi untuk jari-jari r yang sangat kecil. Persamaan terkoreksi untuk gaya gesekan Stokes tergantung pada tekanan udara P, yang dapat dituliskan sebagai
F= 6πηrv/(1+ b/(r.p)) dengan b = 80 μm.hPa
Jika dimisalkan A = b/p, diperoleh,
r= √((r02+A2/4) ) - A/2 (6)
Sehingga diperoleh muatan q sebagai, q=q0/(1+ A/r)1,5
Percobaan milikan disebut juga sebagai percobaan Oil Drop. Elektron mempunyai peran penting dalam mempelajari gejala kelistrikan kemagnetan. Dengan mengembangkan gaya-gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua pelat elektroda, masing-masing plat berdiameter 20 cm dan terpisah sejauh 7.67cm. Minyak diteteskan dengan tetesan kecil melalui dua plat logam dengan dua buah plat yang dapat menarik muatan listrik dari tetesan minyak pada palat bagian atas. Jika beda tegangan diatur agar mengimbangi gaya gravitasi tetes minyak, maka partikel-partikel minyak yang mengandung muatan akan melayang karena keseimbangan gaya tersebut. Pada keadaan ini gaya gravitasi sama dengan gaya elektrostatik, sehingga muatan dapat diketahui besarnya [2].
Tetes minyak milikan merupakan percobaan yang menunjukkan bahwa muatan elektron bersifat diskrit yaitu gaya ke bawah pada tetes milikan (percepatan ke bawah) akan terhambat oleh suatu gaya stokes (gaya penghambat). “Percobaan ini dilakukan dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak berada diantara dua buah pelat konduktor.” [4].
METODE EKSPERIMEN
Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini ialah satu set alat eksperimen Milikan oil drop, Milikan supply unit, tiga pasang kabel penghubung dan dua buah timer box. menyusun peralatan milikan, mengisi dengan minyak, dan mengatur sirkuit seperti pada gambar dibawah ini
gambar 1. rangkaian percbaan tetes minyak milikanSebelum melakukan pengamatan pada tetesan minyak, dipastkan bahwa eyepiece pada mikrometer berada pada posisi yang benar sehingga skalanya dapat terlihat dengan jelas secara vertikal. Selain itu, saklar U dan t berada dalam keadaan off. Pengamatan diawali dengan cara memijat atomizer hingga terlihat tetesan-tetesan minyak yang bergerak turun akibat adanya gaya gravitasi. Kemudian menyalakan saklar U agar tetesan-tetesan minyak tadi bergerak naik akibat adanya gaya elektrostatis yang disebakan oleh pemberian tegangan. Tegangan ini dibuat konstan pada 502 volt. Setelah itu, menandai satu skala sebagai titik acuan (titik nol). Setelah tetesan minyak terletak pada tanda skala yang dipilih, saklar U dimatikan dan saklar t dinaikkan sehingga waktu pada timer box akan berjalan dan mencatat waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak turun sebanyak 2 skala. Waktu ini dicatat sebagai t1.
Setelah tetesan berada pada skala ke-20, saklar U dinaikkan dan secara otomatis timer box akan berjalan dan mencatat waktu yang dibutuhkan oleh tetesan untuk beregerak naik. Waktu ini dicatat sebagai t2. Pengamatan ini dilakukan sampai 4 kali perhitungan waktu naik dan jatuh. Kemudian, mengulangi pengamatan untuk tetesan minyak yang lain sebanyak 5 kali dengan langkah yang sama.
Hasil anda dapat melihat disini
PEMBAHASAN
Eksperimen “Tetes Minyak Milikan” yang bertujuan untuk menentukan besar muatan elementer partikel elektron. Penentuan nilai muatan elementer ini dengan cara menghitung waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak naik dan bergerak turun. Pergerakan naik turunnya tetesan minyak tersebut dipengaruhi oleh beberapa gaya, yaitu gaya elektrostatis (gaya yang mempengaruhi tetesan minyak ke atas), gaya gravitasi dan gaya stokes (gaya yang mempengaruhi tetesan minyak ke bawah).
Data waktu yang diperoleh, kemudian menghitung kecepatan pergerakan naik turunnya tetesan minyak. Kecepatan gerak ke atas didefinisikan sebagai v1 dan kecepatan gerak ke bawah didefinisikan sebagai v2. Setelah menghitung kecepatan v1 dan v2 untuk setiap tetesnya, kemudian menghitung besar jari-jari (R) tetesan dan muatan (q) tanpa faktor koreksi setiap tetes minyak.. Selanjutnya menghitung muatan (qc) dan jari-jari (R) dengan faktor koreksi, dan nilai distribusi frekuensi untuk setiap muatan dengan faktor koreksi.
Pada percobaan ini diperoleh nilai muatan elementer pada setiap tetesan minyak dapat ditentukan dengan memperkirakan jumlah elektron yang terdapat di dalam satu tetesan yang diamati, dengan menggunakan nilai e sebesar 1,6022 x 10-19 C. setelah memperoleh jumlah muatan tiap tetesan minyak, kemudian nilai muatan q dibagi dengan jumlah muatan n, sehingga diperoleh nilai rata-rata muatan elementer dari 5 tetes minyak yaitu 1,34 x 10-19 C.
Hasil yang diperoleh kurang baik, karena memiliki persen perbedaan 16,10 %. Adapun penyebab terjadinya perbedaan tersebut dikarenakan adanya beberapa faktor. Faktor yang pertama karena tegangan masukan yang digunakan sebesar 502 V yang ditunjukkan pada power supply selalu mengalami fluktuasi yang menyebabkan gaya elektrostatik yang bekerja pada tetesan minyak tidak sama setiap waktunya. Faktor lainnya adalah beberapa tetesan minyak memiliki lintasan gerak yang tidak lurus sehingga mempengaruhi pengukuran waktu gerak setiap perubahan 20 tanda skala. Di dalam eksperimen ini pula masih terdapat beberapa sedikit kekeliruan dan kekurangtelitian praktikan dalam mengamati tetesan-tetesan minyak yang disemprotkan.
KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan penentuan muatan elementer partikel elektron dengan percobaan tetes minyak milikan yang dilakukan dengan menggunakan metode jatuh-naik pada percobaan ini, diperoleh nilai rata-rata muatan elementer sebesar, 1,34 x 10-19 C.
DAFTAR PUSTAKA
- Alonso M Finn. 1992. Dasar – Dasar Fisika Universitas Edisi ke-2. Jakarta: Erlangga.
- Freedman, Roger. 2000. Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 2. Erlangga: Jakarta
- Krene J Kenneth. 1992. Fisika Modern. UI:Press Jakarta
- Soedojo Peter. 2001. Azas-azas Ilmu Fisika Jilid 4 Fisika Modern. Gadjah Mada University Press: Yogyakarta
- Subaer, dkk. 2018. Modul Praktikum Eksperimen Fisika 1. Unit Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM. Makassar: Jurusan Fisika UNM