LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I

Transkripsi

1 LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I Eksperimen e/m Elektron Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu Tanggal: 7 April 2014 Jam : Oleh : Nama : Novi Tri Nugraheni NIM : Anggota Kelompok : 1. Muhimatul Fadlilah A. NIM : Khoirotun Nisa NIM : Puspita Ningtiyas NIM : Ratna Yulia Sari NIM : Dosen Pembimbing : Andi Hamim Zaidan, S.Si, M.Si, P.hD. LABORATORIUM FISIKA MODERN UNIVERSITAS AIRLANGGA 1

2 Eksperimen e/m Novi Tri Nugraheni 1, Muhimatul Fadlilah A. 2,Khoirotun Nisa 3, Puspita Ningtiyas 4, Ratna Yulia Sari 5 Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Jl.Mulyorejo Kmapus C Unair, Surabaya novitri.nugraheni@yahoo.com Abstrak, Eksperimen sinar katoda dilakukan oleh fisikawan bernama J.J Thomson,dia membuktikan bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif.eksperimen ini dilakukan untuk mengetahui hubungan antara radius berkas elektron (r) dengan beda tegangan elektroda pemercepat ( v) pada masingmasing harga arus (I), serta untuk mengetahui perbandingan muatan dan massa elektron (e/m). Dari hasil eksperimen didapatkan nilai beda tegangan ( V ) berbanding lurus dengan jari-jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I),dimana nilai beda potensial semakin besar maka nilai radius berkas elektron juga bertambah besar.nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil helmholtz,yaitu semakin besar nilai arus listrik maka nilai radius berkas elektron bertambah kecil.perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan sudah mendekati harga e/m acuan yang pernah dilakukan oleh J. J. Thompson. Dari hasil pengamatan dapat diketahui bahwa diameter lintasan elektron berbanding lurus dengan tegangan (V) dan berbanding terbalik dengan arus listrik (I). Hasil rasio e/m dari hasil perhitungan sehingga menimbulkan kesalahan relatif hingga 42,14 % Kata Kunci : Elektron, e/m, medan magnet 1. Pendahuluan Percobaan e/m adalah percobaan yang dilakukan oleh seorang fisikawan bernama Joseph Thompson. Tujuan utama daripada Joseph Thompson melakukan percobaan ini adalah membuktikan apakah ada partikel lain yang lebih kecil daripada atom dan nantinya kelak akan disebut dengan elektron (corpuscles). Alat uji yang digunakan oleh Joseph Thompson didalam menentukan rasio atau perbandingan antara muatan yang dikandung oleh elektron terhadap massanya (e/m) adalah menggunakan tabung sinar katoda. Didalam tabung ini terdapat dua buah elektroda yang kita sebut sebagai anoda (elektrode positif) dan katoda itu sendiri (elektrode negatif). Ketika kedua elektroda ini dipasang pada suatu tegangan tertentu, maka elektron atom yang menyusun katoda akan tereksitasi. Elektron yang tereksitasi tersebut kemudian dibelokkan dengan menggunakan suatu medan magnetik dengan kekuatan tertentu. Sehingga elektron tersebut akan mulai mengikuti suatu lintasan melingkar dengan jejari tertentu. Dengan menggunakan persamaan persamaan yang terkait dengan menggunakan rasio e/m maka dengan data jari jari dan medan listrik yang digunakan maka dapat ditentukan nilai dari rasio tersebut. 2. Dasar Teori Elektron merupakan salah satu penemuan penting yang dapat menjelaskan berbagai fenomena fisika,salah satunya adalah gejala kelistrikan dan kemagnetan.pada awalnya elektron sangat sulit ditemukan,setelah melalui beberapa eksperimen, akhirnya seorang fisikawan yang benama Sir Joseph John Thomson ( ) pada tahun 1897 membuktikan percobaan meyakinkan bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif. Dalam percobaannya, Thomson menemukan bahwa sinar katoda yang terdiri dari partikel-partikel negatif ini disebut dengan elektron.katoda yang bbermuatan negatif memancarkan elektron yang dipercepat oleh penarikan anoda yang bermuatan positif. Suatu elektron dengan kecepatan tinggi yang dipancarkan dari katoda pada sebuah tabung dalam keadaan vakum disebut dengan sinar katoda.dengan menggunakan tegangan 2

3 yang sangat tinggi sinar-sinar katoda ini akan dipercepat dan dikendalikan oleh medan magnet.apabila elektron bergerak dengan arah tegak lurus terhadap arah medan magnet,maka elektron tersebut akan membelok sebagai busur lingkaran.hal tersebut diakibatkan oleh timbulnya gaya magnetik. Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson tersebut, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan Medan listrik dan Medan 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 antar ketiganya dapat diketahui dari sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda. Jika sebuah elektron bermassa m dan bermuatan e dipercepat dalam beda potensial V, maka elektron akan memiiliki energi kinetik sebesar. Bila kemudian elektron berkecepatan maka energi kinetik tersebut dapat dinyatakan sebagai : Didalam medan magnet, elektron tersebut akan mengalami gaya magnetik (gaya lorentz) sebesar ( ) 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 : 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 : Dengan mensubsitusikan persamaan diatas dengan persamaan energi kinetik elektron yang dipercepat maka akan didapatkan : 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 : dengan adalah permeabilitas ruang hampa. ( ) Gambar 1.1 Partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan dalam medan magnet akan mengalami gaya Lorentz. 3

4 3. Alat dan Bahan Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu : Sistem peralatan e/m Power Supplay Sumber daya tegangan dan arus Multimeter Banana cables 4. Prosedur Percobaan Eksperimen Pengukuran Jejari Lintasan Elektron r konstan dengan variasi I = f(v A ) 1) Pertama adalah membuat rangkaian percobaan seperti pada gambar dibawah ini 2) Buat rangkaian seperti pada gambar dibawah: Gambar 1.2 Rangkaian percobaan e/m 3) Kemudian 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. 4) Setelah itu atur posisi slide pada lintasan lingkaran elektron yang dalam dan buatlah diameter lingkaran tersebut hingga 2r = 8 cm. 5) Variasikan tegangan anoda (V A ) dari 300 V hingga 200 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) 1) Kabel kabel yang ada pada eksperimen seperti gambar diatas dilepaskan dan kemudian tabung sinar katodanya juga ikut dilepas 2) 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 2) Setelah itu menentukan nilai fluks magnetik (B) dari percobaan sebelumnya dengan menggunakan B = k 1 I dan selanjutnya dihitung B 2 4

5 3) Kemudian dibuat grafik V A = f(b 2 ) seperti pada gambar dalam modul dan juga tentukan gradiennya k 2 = 4) Setelah itu dapat ditentukan nilai e/m nya dengan ( dan kemudian dibandingkan hasilnya dengan referensi yaitu ( ) 6. Data Hasil Eksperimen Dari percobaan yang dilakukan, dapat diperoleh tabel pengamatan sebagai berikut : No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere) No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere) ,3 V 1,233 A ,2 V 1,488 A ,5 V 1,261 A ,5 V 1,471 A ,4 V 1,293 A ,4 V 1,461 A ,2 V 1,313 A ,4 V 1,451 A ,4 V 1,322 A ,3 V 1,418 A ,4 V 1,341 A ,5 V 1,348 A ,0 V 1,384 A ,5 V 1,333 A ,4 V 1,397 A ,0 V 1,294 A ,4 V 1,424 A ,3 V 1,286 A ,4 V 1,447 A ,5 V 1,253 A ,2 V 1,488 A ,4 V 1,230 A 7. Hasil Analisis dan Pembahasan Pada eksperimen ini membahas tentang eksperimen sinar katoda (e/m) dengan tujuan untuk mengetahui hubungan antara berkas radius elektron (r) dengan beda tegangan ellektroda pemercepat ( V) pada masing-masing harga arus (I) dalam grafik, serta untuk mengetahui perbandingan massa dan muatan elektron(e/m) baik secara teori maupun hasil perhitungan. Langkah pertama yang dilakukan dalam eksperimen sinar katoda (e/m) adalah melakukan penngamatan dimana nilai arus listrik pada coil helmholtz bernilai tetap yaitu 1A,dengan nilai variabel beda potensial diubah dan kemudian diperbesar.nilainya dimulai dari 100 volt sampai 150 volt dengan masing-masing dilakukan tiga kali pengulangan pengukuran.dari hasil pengukuran didapatkan nilai radius berkas elektron bertambah besar. Dengan demikian dapat diketahui bahwa nilai beda potensial berbanding lurus dengan radius lintasan berkas elektron yang terbentuk.hal tersebut dapat terjadi karena percepatan elektron gun pada lintasan linier Langkah selanjutnya adalah dilakukan pengamatan dimana nilai beda potensial (V) dianggap sebagai variabel terkontrolnya,sedangkan nilai arus (I) dirubah dan kemudian diperbesar, dengan masing-masing dilakukan dua kali pengulangan pengukuran. Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa radius lintasan elektron cenderung semakin mengecil. Dengan demikian diketahui bahwa semakin besar nilai arus listrik, maka besar medan magnet (B) yang dibangkikan oleh koil Helmhotz juga akan semakin besar. Sehingga dapat disimpulkan bahwa nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil helmhotz. Pada eksperimen yang dilakukan berkas lintasan elektron berbentuk melingkar.bentuk melingkar ini terjadi karena adanya pengaruh medan magnet (B) yang dibangkitkan oleh sebuah coil helmholtz.elektron yang dilepaskan oleh elektron gun ditarik oleh beda potensial yang mengakibatkan adanya pergeseran lintasan dari linier menjadi melingkar. Hasil dari pada percobaan, penentuan kalibrasi medan magnetik, diperoleh secara perhitungan teoritis (matematis) bahwa gradien k 1 adalah dan sedangkan untuk nilai 5

6 e/m diperoleh sekitar sehingga menimbulkan kesalahan relatif hingga 42,14 %. Timbulnya nilai rasio e/m ini jelas tidak sesuai dengan hasil literatur atau referensi yaitu 1,7588 x C/kg. Hal tersebut disebabkan karena mungkin adanya kesalahan paralaks (kesalahan pengelihatan) saat melakukan pembacaan diameter lingkaran dengan menggunakan mistar sebab berada didalam sebuah kotak hitam pada set praktikum dan mungkin juga disebabkan terjadinya kesalahan pada proses kalibrasi medan magnetik sebab tidak melakukan kalibrasi menurut prosedur yaitu tidak melepas kabel-kabel dan tabung katoda, praktikan juga tidak membuat rangkaian percobaan tanpa menggunakan tabung dan hanya ada kumparan Helmholtz yang dimaksudkan untuk mengukur medan magnetik yang dihasilkan. 8. Kesimpulan Dari percobaan atau eksperimen e/m yang dilakukan, diperoleh nilai e/m sebesar sehingga menimbulkan kesalahan relatif hingga 42,14 %Eksperimen ini cenderung salah karena tidak dilakukannya prosedur pengukuran kalibrasi medan magnetik secara eksperimen melainkan diperoleh secara teori, maka nilai e/m cenderung bersifat konstan dan dari eksperimen ini juga dapat dipelajari sifat medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz dan dapat menentukan nilai e/m dengan menggunakan medan magnetik. Referensi [1] Beiser,Arthur.,1987,Konsep Fisika Modern, 4 nd ed, Erlangga Jakarta. [2] Krane, Kenneth. S, Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia Nikhsolihin, Jakarta: Penerbit UI [3] Zaidan,A,2009, Pengantar Fisika Modern, tidak di publukasikan,departemen fisika,universitas Airlangga 6

7 LAMPIRAN I ANALISIS PERHITUNGAN 1. Tabel pengamatan Tegangan (Vg) dan Kuat Arus (Ia) No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere) No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere) ,3 V 1,233 A ,2 V 1,488 A ,5 V 1,261 A ,5 V 1,471 A ,4 V 1,293 A ,4 V 1,461 A ,2 V 1,313 A ,4 V 1,451 A ,4 V 1,322 A ,3 V 1,418 A ,4 V 1,341 A ,5 V 1,348 A ,0 V 1,384 A ,5 V 1,333 A ,4 V 1,397 A ,0 V 1,294 A ,4 V 1,424 A ,3 V 1,286 A ,4 V 1,447 A ,5 V 1,253 A ,2 V 1,488 A ,4 V 1,230 A 2. Tabel pengamatan tegangan rata-rata dan kuat arus rata-rata : No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere) ,35 V 1,2315 A ,50 V 1,2570 A ,35 V 1,2895 A ,10 V 1,3035 A ,45 V 1,3275 A ,45 V 1,3445 A ,15 V 1,3401 A ,40 V 1,424 A ,40 V 1,4425 A ,45 V 1,459 A ,20 V 1,488 A Dari data pengamatan di atas kita dapat menentukan besarnya medan magnet dengan rumus sebagai berikut: B = ( ) Dengan Vs/Am, n = 130, R = 150 mm = 0,15 m. ( Dengan K 1 adalah regresi grafik hubungan antara B dengan I. 7

8 Medan Magnet (B) Eksperimen e/m Elektron 3. Tabel untuk kurva kalibrasi B = f (I) No I (Arus) B(Medan Magnet) 1 1,2315 Ampere 0, ,257 Ampere 0, ,2895 Ampere 0, ,3035 Ampere 0, ,3275 Ampere 0, ,3445 Ampere 0, ,401 Ampere 0, ,424 Ampere 0, ,4425 Ampere 0, ,459 Ampere 0, ,488 Ampere 0, Kurfa Kalibrasi B = f (I) y = 2E-05x R² = B(Medan Magnet) Linear (B(Medan Magnet)) Kuat Arus (I) Dari grafik tersebut di peroleh nilai K 1 sebesar 2 8

9 4. Tabel nilai Fluks Magnetik (B), dengan menggunakan B = K 1 I B (Medan Magnet) ( 0, ,19681E-07 0, ,58441E-07 0, ,00802E-06 0, ,03023E-06 0, ,06916E-06 0, ,09621E-06 0, ,19028E-06 0, ,22988E-06 0, ,26225E-06 0, ,2905E-06 0, ,34305E Tabel grafik V A = f ( ) No V (Tegangan) ( 1 200,35 9,19681E ,5 9,58441E ,35 1,00802E ,1 1,03023E ,45 1,06916E ,45 1,09621E ,15 1,19028E ,4 1,22988E ,4 1,26225E ,45 1,2905E ,2 1,34305E-06 9

10 Tegangan (V) Eksperimen e/m Elektron Grafik V A = f (B²) y = 2E+08x R² = V (Tegangan) Linear (V (Tegangan)) Medan Magnet Dari grafik tersebut di peroleh nilai K 2 sebesar 2 6. Menentukan nilai e/m dan presentase kesalahannya Dimana diameter lintasan sebesar 8 cm, sehingga jari-jari lintasan sebesar 4 cm = 0,04 m = = = ( = ( ( Sehingga presentase kesalahan sebesar: % e/m = = = 42,14 % No X Y XY I (A) (A) V (volt) I2V 1 1,2315 1, ,35 2, , , ,257 1, ,5 2, ,25 332,6 3 1,2895 1, ,35 2, , ,4 4 1,3035 1, ,1 2, ,01 390,966 10

11 5 1,3275 1, ,45 3, , , ,3445 1, ,45 3, , , ,401 1, ,15 3, , , ,424 2, ,4 4, ,16 548, ,4425 2, ,4 4, ,16 583, ,459 2, ,45 4, , , ,488 2, ,2 4, ,04 664,686 Σ 13,968 20, ,8 38, , ,637 Menghitung nialai k: K ( ( ( ( ( ( 37,449 Menghitung Simpangan y (S y ) S *Σ S * S * S * ( ( ( + ( ( ( ( ( ( ( ( ( ) ( ( S [ ] S [ ] = 2, Sy = ,6 Menghitung simpangan baku dalam k (S k ) ( ( + ( ( + + S k = ( 11

12 S k = ( ( S k = S k = S k = S k = ,1 Nilai rasio e/m berdasarkan perhitungan pada percobaan ini adalah As Ketidakpastian e/m ( ) ( ( ) ) ( ( ) ) ( ) ( ( ) ( ) ) (( ) ( ) ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( ) ) (( ( ) ( ) ) ( ( ) ( ( ) ( ( ) ( ) ( (( ( ) ( ( ) ( ( ) ( ) Jadi nilai adalah ( 12

13 LAMPIRAN II ALAT PERCOBAAN DAN LAPORAN SEMENTARA 13

14 14