Eksperimen e/m Elektron

Transkripsi

1 Eksperimen e/m Elektron Eksperimen e/m Elektron 1 Mei Budi Utami, Ninis Nurhidayah, 3 Erlin Nasocha, 4 Hanif Roikhatul J, 5 Oktaviana Retna Abstrak Laboratorium Fisika Modern, Departemen Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Surabaya mei.b.xd@gmail.com Percobaan e/m elektron dirancang untuk mengetahui sifat-sifat medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz sekaligus untuk menentukan nilai e/m elektron.. Percobaan ini dilakukan oleh seorang fisikawan bernama Joseph Thompson. Dimana Thompson ingin membuktikan bahwa apakah ada partikel lain yang menyusun sebuah atom yang kelak disebut sebagai elektron dan menentukan perbandingan antara muatan dan massa dari elektron tersebut. Thompson menggunakan peralatan yang disebut dengan tabung sinar katoda. Berdasarkan pengamatan, didapatkan nilai e/m sebesar,9715 x As kg 1 dengan presentase kesalahan 15,89%. Kata kunci :kumparan Helmholtz,e/m, medan magnet, sinar katoda PENDAHULUAN Menurut hipotesis maxwell menyatakan bahwa perubahan medan listrik menghasilkan medan magnet (Giancolli, 001). Pada tahun 1867 maxwell mengemukakan bahwa muatan listrik yang dipercepat menimbulkan gangguan listrik dan medan magnet yang terkait yang menjalar terus-menerus melalui ruang hampa jika muatan bergetar periodis (arthur beiser, 1990). Meskipun sinar katoda sudah ditemukan sejak tahun 1859 namun baru tiga puluh delapan tahun kemudian muatan spesifik sinar katoda diperoleh. J.J Thomson ( ) yang pertama kali melakukan percobaan untuk menentukan muatan sinar katoda. Seperti halnya dalam tabung sinar katoda, elektron dihasilkan dari katoda yang dipanaskan oleh filamen. Elektron dipercepat menuju anoda yang berbentuk silinder dan melewatinya. Pada bagian selanjutnya dipasang pelat sejajar yang diberi beda potensial sehingga menimbulkan medan listrik. Pada bagian ini juga terdapat medan magnet yang digambarkan masuk bidang kertas. Jika kedua medan listrik dan medan magnet bernilai nol, elektron akan mencapai posisi X dilayar dan menimbulkan fluoresensi. Energi kinetik yang dimiliki oleh elektron diperoleh dari energi potensial yang diberikan oleh pasangan anoda-katoda. Kumparan Helmholtz digunakan untuk menghilangkan medan magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet yang konstan dalam ruang yang sempit dan terbatas. Sedangkan Andre Marie Ampere dengan percobannya berhasil menunjukkan bahwa elemen arus akan mengalami gaya ketika berada dalam medan magnet (Arthur Beiser. 1990). Berangkat dari sinilah percobaan e/m ini dilakukan. DASAR TEORI Sebuah elektron berassa m dan bermuatan cyang dipercepat dengan beda potensial V akan memiliki energi kinetik sebesar Ek=eV. Jika kecepatan elekton v, maka energi kinetik dapat dinyatakan sebagai : ev = 1 mv Didalam medan magnet B, elektron tersebut akan mengalami gaya magnetik (gaya lorentz) sebesar F = e v x B

2 Eksperimen e/m Elektron Untuk medan magnetik yang seragam dan arah kecepatan elektron tegak lurus terhada medan magnet, elektron akan memiliki lintasan berbentuk lingkaran. Hal ini diakibatkan dari perubahan arah kecepatanelektron tanpa mengubah kelajuannya yang disebabkan oleh gaya sentripetal. Besarnya gaya sentripetal itu dirumuskan didalam : F s = m v r dengan r adalah jejari lintasan lingkaran elektron. Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripetal sama dengan besar gaya medan magnet (Gaya Lorentz) elektron tersebut yaitu : m v r = evb Dengan mensubsitusikan persamaan diatas dengan persamaan energi kinetik elektron yang dipercepat maka akan didapatkan : e m = V B r Medan magnet yang digunakan didalam percobaan ini adalah kumparan Helmholtz (Kumparan yang memiliki jejari R sama dengan jarak kedua kumparan yang dialiri arus listrik). Bila jumlah kawat lilitan kumparan Helmholtz adalah n, maka dengan menggunakan persamaan Maxwell pertama dan keempat dapat ditentukan besarnya medan magnet yang dihasilkan yaitu : B = 4 5 dengan μ o adalah permeabilitas ruang hampa. ALAT DAN BAHAN 3 μo ni R Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu sebagai berikut ini : 1) Seperangkat Peralatan e/m ) Sumber daya tegangan dan arus 3) Multimeter 4) Power Supply 5) Kabel 6) Teslameter PROSEDUR PERCOBAAN Eksperimen Pengukuran Jejari Lintasan Elektron r konstan dengan variasi I = f(v A ) 1) Pada rangkaian, set tegangan anoda V A pada 300 volt dengan cara mengatur tombol tegangan. Bila katode telah panas dan berkas elektron telah terbentuk, maka ketajamannya dapat diatur dengan sekunder wehnelt (tombol c) dan pengaliran arus I yang tepat. Bila lintasan elektron berupa heliks, putarlah tabung perlahan lahan sedemikian hingga diperoleh lintasan elektron berupa lingkaran. ) Setelah itu atur posisi slide pada lintasan lingkaran elektron yang dalam dan buatlah diameter lingkaran tersebut hingga r = 8 cm. 3) Variasikan tegangan anoda (V A ) dari 300 V hingga 00 V dengan interval penurunan 10 V. Kemudian perubahan arus I yang harus dialirkan pada setiap interval tersebut dicatat, sedemikian hingga diameter lingkaran tepat 8 cm. Eksperimen Kalibrasi Medan Magnet B = f (I)

3 Eksperimen e/m Elektron 1) Kabel kabel yang ada pada eksperimen seperti gambar diatas dilepaskan dan kemudian tabung sinar katodanya juga ikut dilepas ) Setelah itu dapat dibuat rangkaian percobaan tanpa menggunakan tabung dan hanya ada kumparan Helmholtz dan dimaksudkan untuk mengukur medan magnetik yang dihasilkan 3) Setelah rangkian selesai dibuat maka arus dialirkan ke Kumparan Helmholtz tersebut antara 0 hingga 3 A dengan interval 0,5 A dan diukur fluks magnetnya (B) setiap interval kenaikan arus yang dialirkan Eksperimen Menentukan Rasio e/m 1) Dalam menentukan rasio e/m, dapat dibuat terlebih dahulu kurva kalibrasi B = f (I) seperti pada gambar dalam modul dan ditentukan gradiennya ) Setelah itu menentukan nilai fluks magnetik (B) dari percobaan sebelumnya dengan menggunakan B = k 1 I dan selanjutnya dihitung B 3) Kemudian dibuat grafik V A = f(b ) seperti pada gambar dalam modul dan juga tentukan gradiennya k = V A B 4) Setelah itu dapat ditentukan nilai e/m nya dengan e m = hasilnya dengan referensi yaitu DATA HASIL PENGAMATAN Dari hasil praktikum didapatkan data sebagai berikut : r k e m = 1,7588 x 1011 As kg 1 dan kemudian dibandingkan Tabel 1. Data nilai tegangan V dan Arus I untuk tegangan semakin naik V (volt) I (A) 00,3 1,175 10,6 1,189 0,7 1,0 30,1 1,45 40,6 1,65 50,7 1,89 60,7 1,30 70,1 1,318 80,6 1,331 90,4 1, ,5 1,374 Tabel. Data nilai tegangan V dan Arus I untuk tegangan semakin menurun V (volt) I (A) 300,5 1,374 90,4 1,353 80,6 1,33 70,1 1,317 60,7 1,99 50,7 1,86 40,6 1,65 30,1 1,41 0,7 1,5 10,6 1,189 00,3 1,166

4 Eksperimen Rasio e/m Untuk data kumparan : jumlah lilitan (n) = 130 radius kumparan R = 0,15 tetapan medan magnet (μ 0 ) = 4π 10 7 Vs/Am diameter = 8 cm PEMBAHASAN Percobaan e/m menggunakan sebuah tabung katode dan kumparan yang berfungsi untuk menghasikan medan magnet. Kumparan ini disebut kumparan Helmholtz (yaitu kumparan yang memiliki besar jarijari sama dengan jarak kedua kumparan). Elektron yang dihasilkan oleh filamen (yang berlaku sebagai katoda), akibat proses termoelektron, akan dipercepat ke arah anoda yang mempunyai beda tegangan (V) terhadap katoda. Dari prinsip kekekalanenergi, jika tidak ada usaha yang dikenakan pada elektron, maka elektron tersebut akan mempunyai energi kinetik akibat tegangan (V). Elektron tersebut bergerak dalam medan magnet seragam (akibat kumparan Helmholtz), sehingga terjadi perubahan arah dari kecepatan elektron tanpa merubah kelajuannya, sehingga elektron akan bergerak melingkar. Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripental sama dengan besar gaya medan magnet pada elektron tersebut. Berdasarkan hasil pengamatan, dapat diamati bahwa pada saat nilai tegangan (V) tetap sedangkan nilai arus listrik (I) berubah semakin besar, maka diameter lintasan elektron akan semakin kecil. Jika semakin besar nilai kuat arusnya maka medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan Helmholtz semakin besar pula. Medan magnet yang besar akan membelokkan elektron dengan kuat sehingga diameter lintasan elektron semakin kecil karena diameter elektron berbanding terbalik dengan medan magnet. Jika nilai arus listrik (I) tetap sedangkan nilai tegangan (V) berubah semakin kecil maka diameter lintasan elektron akan semakin kecil karena V berbanding lurus dengan kuadrat R. Berdasarkan analisis perhitungan, setelah dilakukan pengambilan data sebanyak kali yaitu dari tegangan 00 ke 300 dan sebaliknya dapat diperoleh nilai arus untuk masing-masing tegangan. Selanjutnya, dihitung nilai B dan dilakukan regresi antara B dan tegangan sehingga dapat diperoleh nilai e/m sebesar,9715 x As kg 1 dengan presentase kesalahan 15,89 %. Pengamatan berjalan sangat lancar, meskipun hasil nya belum akurat Kesalahan pengukuran nilai dengan e/m literatur disebabkan oleh berbagai faktor antara lain saat penghitungan data maupun saat penggunaan alat praktikum. KESIMPULAN DAFTAR PUSTAKA

5 Eksperimen Rasio e/m [1] Alonso, M. dan Finn, E.J., Fundamental University Physics, Volume II, Addison Wisley, 1983 (Book) [] Tipler, Paul A Fisika untuk Sains dan Teknik Edisi Ketiga Jilid. Jakarta : Penerbit Erlangga. (Book) [3] Krane, Kenneth. S, 198. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia Nikhsolihin, Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia (Book) [4] Zaidan, A., 009. Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan, Departemen Fisika., Universitas Airlangga., Surabaya (Thesis) LAMPIRAN

6 Medan Magnet (B) Eksperimen Rasio e/m Perhitungan data a. Perhitungan nilai e/m B = 4 5 Maka : B = 3 μ o ni R, dengan : jumlah lilitan (n) = 130 0,8617 1,56 x I 0,15 Karena B = k 1 I, maka k 1 gradien = 0,94 x 10 3 radius kumparan R = 150 mm = 0,15 m tetapan medan magnet (μ 0 ) = 4π 10 7 Vs/Am = 9379,89 x 10 7 I = 0,94 x 10 3 I V I B = k 1 I B 00,3 1,175+1,166 10,6 1,189+1,189 0,7 1,0+1,5 30,1 1,45+1,41 40,6 1,65+1,65 50,7 1,89+1,86 60,7 1,30+1,99 70,1 1,318+1,317 80,6 1,331+1,33 90,4 1,351+1, ,374+1,374 = 1,1705 1,1007 x ,10594 x 10 6 =1,189 1,11766 x ,49164 x 10 6 =1,5 1,14915 x ,30546 x 10 6 =1,43 1,1684 x ,36505 x 10 6 =1,65 1,1891 x , x 10 6 =1,875 1,105 x , x 10 6 =1,3005 1,47 x , x 10 6 =1,3175 1,3845 x , x 10 6 =1,3315 1,5161 x ,56658 x 10 6 =1,35 1,7088 x , x 10 6 =1,374 1,9156 x ,66817 x 10 6 Dari data di atas, maka dapat dibuat dua grafik yaitu : Gambar 1. Grafik kalibrasi medan magnet grafik antara tegangan dan medan magnet y = 0.94x - 1E-13 R² = Arus (I) Gambar.

7 Tegangan Eksperimen Rasio e/m Grafik antara B dan tegangan y = 37.7x R² = Medan B Dari grafik gambar, maka dapat ditentukan besarnya e/m, yaitu : k = 37,7 x 10 6 dan r = 1 d = 4cm = 4 x 10 m e m = k r = 37,7 x x 10 = 9,715 x =,9715 x As kg 1 Analisis Error Menurut literatur, besarnya nilai e/m adalah 1,7588 x As kg -1 dan menurut hasil pengamatan dalam percobaan menghasilkan nilai e/m sebesar,9715 x As kg 1, sehingga prosentasi kesalahannya sebesar : %kesalahan =,9715 x ,7588 x = 15, 89 % 1,7588 x x100%