JURNAL FISIKA EKSPERIMENTAL I LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I Mengukur Jari Jari Tetes Minyak dan Muatan Listrik Elektron Dengan Eksperimen Tetes Minyak Milikan Pelaksanaan Praktikum Hari : Rabu Tanggal: 26 Maret 2014 Jam : 10.40-12.20 Oleh : Nama : Novi Tri Nugraheni Nim : 081211333009 Anggota Kelompok : 1. Muhimatul Fadlilah A. Nim : 081211331130 2. Khoirotun Nisa Nim : 081211332007 3. Ratna Yulia Sari Nim : 081211332002 Dosen Pembimbing : Andi Hamim Zaidan, S.Si, M.Si, P.hD. LABORATORIUM FISIKA MODERN UNIVERSITAS AIRLANGGA 1
EKSPERIMEN TETES MINYAK MILIKAN Novi Tri Nugraheni 1,2, Muhimatul Fadlilah Arfianda 1, Puspita Ningtiyas 2, Ratna Yulia Sari 3 1 Author Address Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga Jalan Mulyorejo Kampus C Unair, Surabaya 60115 Email: novitri.nugraheni@yahoo.com Abstrak. Salah satu konstanta penting dalam fisika adalah nilai muatan listrik yang dibawa oleh sebuah elektron. Eksperimen Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan jari-jari dan muatan listrik tetesan minyak serta muatan listrik dari elektron. Eksperimen ini dilakukan dengan cara menyemprotkan minyak kedalam plat sejajar Milikan lalu amati satu butiran minyak dengan mikroskop, catat waktu naik dan waktu turun butiran selama 3 kali putara. Kita juga mengukur tegangan saat butiran tepat diam. Setelah itu mencari kecepatan untuk mencari jari-jari dan muatan elektron. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan jari-jari tetes minyak pertama ( ). Dan untuk minyak kedua r = Jumlah muatan pada metode I dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 1.32 x 10-19 C dan 1.11 x 10-19 C. Sedangkan jumlah muatan pada metode II dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 24.9 x 10-19 C dan 19.9 x 10-19 C. Muatan electron berdasarkan metode pertama dengan tetes minyak pertama dan kedua adalah 1.156 x 10-19 C dan 0.927 x 10-19 C. Sedangkan dengan metode II yaitu 21.8 x 10-19 C dan 17.4 x 10-19 C. Keywords: Elektron, Jari-jari tetes minyak, muatan electron, medan listrik, gaya gravitasi. 1 Pendahuluan Elektron adalah suatu dasar penyusun atom yang bermuatan neagtif. Pengukuran muatan elektron dilakukan oleh ilmuwan fisika Robert A. Milikan (1869 1953) dengan melakukan eksperimen dengan meneteskan minyak melalui dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diatur sehingga gaya elektrolistrik mampu membuat tetes minyak berhenti. Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami percepatan kebawah 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. Pengukuran yang dilakukan R. Milikan mampu mendapatkan nilai muatan untuk 1-150 ion. Pengukuran muatan listrik elektron oleh milikan adalah dengan menyemprotkan minyak paraffin ke ruang antar plat sejajar Milikan dan mengamati gerakan tetes minyak dengan mikroskop. Dengan mikroskop dapat diamati dan diukur kecepatan vertical tetes minyak tersebut. Setiap satu skala yang terlihat pada lensa okuler mikroskop dikonversi ke meter. Ketika tidak ada medan listrik E dalam dua keeping sejajar. Tetes minyak jatuh ke bawah hanya disebabkan oleh gaya gravitasi dan diperlambat oleh gaya gesek udara(gaya Stokes dan gaya Archimedes). Gaya-gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah: Gaya gravitasi yakni gaya ke bawah yang dialami tetes minyak Gaya gesek, gaya yang arahnya melawan gaya gravitasi dalam hal ini sama dengan gaya Stokes (1) Gaya Archimedes, yakni gaya dengan arah ke atas (2) (3) dengan,,,,, masing-masing merupakan massa tetes minyak, massa udaradengan volum sama dengan tetes minyak, viskositas udara, jari-jari tetes minyak, dan kecepatan gerak tetes minyak ke bawah. Dari ketiga gaya tersebut didapat resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak yang memenuhi: (4) Bila, maka persamaan (4) dapat ditulis menjadi: 2
(5) dengan merupakan berat tetes minyak setelah dikurangi oleh gaya Archimedes. Bila, dengan,, adalah rapat minyak tetes minyak dan rapat massa udara, maka dengan mengganti akan diperoleh resultan gaya tetes minyak : atau (6) Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian hingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan. Bila tegangan antar plat U dan jarak antar kedua plat adalah d, maka dan gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah: (7) atau (8) Untuk tetes minyak yang melayang diantara plat sejajar karena pengaruh medan listrik E, maka persamaan (8) menjadi: (9) Dari penjelasan di atas terlihat bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat digunakan untuk menentukan muatan electron: 1. Mengukur kecepatan jatuh bebas sebelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan, sehingga tetes minyak diam diantara dua plat sejajar. Formulasi metode ini dapat dilakukan dengan subtitusi persamaan (6) dan persamaan (9), sehingga diperoleh: (10) dengan 2. Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak dalam ruang bebas medan listrik dan kecepatan naik pada tegangan tentu. Formulasi metode ini dilakukan dengan subtitusi persamaan (6) ke dalam persamaan (8) sehingga diperoleh: Lalu nilai yang diperoleh dari kedua persamaan di atas digunakan untuk menghitung banyak butiran dengan rumus: dengan nilai (12) (11) Muatan electron merupakan muatan diskrit ( terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar 2 Metode Jenis praktikum tetes minyak milikan ini yakni kuantitatif. Hal ini dikarenakan output data yang dihasilkan berupa nilai waktu tetes minyak naik turun akibat pengaruh medan listrik yang didasari variasi tegangan sehingga nantinya digunakan untuk mencari nilai jari-jari butiran minyak serta muatannya. Pada percobaan ini yang diukur adalah waktu tempuh butiran untuk naik dari posisi tengah sebagai titik acuan sampai batas atas serta waktu tempuh untuk turun dari posisi batas atas kembali ke posisi semula. Sehingga nantinya akan didapatkan kecepatan yang nantinya digunakan untuk mencari nilai jari-jari butiran minyak serta muatan minyak dan elektronnya. Percobaan ini dilakukan dengan cara disiapkan alat dan bahan diantaranya mikroskop, sprayer, minyak paraffin, sumber cahaya, powes supply, stop watch dan system peralatan Milikan. 3
Gambar Eksperimen Tetes Milikan Langkah percobaan yaitu : 1. Menyemprotkan minyak ke dalam plat sejajarmilikan dengan cara menyemprotkan minyak tersebut. 2. Mengatur teropong yang terdapat di samping Chamber Milikan untuk mengamati tetes minyak yang telah disemprotkan tersebut sedemikian sehingga dapat terlihat dengan jelas tetes-tetes minyak tersebut. 3. Mengamati salah satu dari beberapa tetes yang ada, kemudian menentukan kecepatan jatuh tetes tersebut. Dengan mengukur jarak tempuh dan waktu yang diperlukan (1 skala yang terlihat pada okuler dikonversi ke meter dalam dengan x adalah jumlah skala). Menamakan kecepatan ini dengan v1 dan melakukan dengan pengukuran sebanyak tiga kali. 4. Mengalirkan tegangan listrik pada dua keping pelat sejajar tersebut sehingga dihasilkan medan listrik yang dapat menahan tetes minyak sehingga diam di antara dua pelat, menamakan tegangan ini sebagai U1. 5. Memperbesar tegangan listrik sehingga tetes bergerak melawan arah gravitasi, menamakan tegangan ini sebagai U2. 6. Menentukan kecepatan tetes minyak akibat gaya listrik U, menamakan sebagai v2, melakukan sebanyak tiga kali seperti langkah 3. 7. Menabulasikan hasil pengamatan yang dilakukan dalam sebuah tabel. 3 Hasil dan Pembahasan Eksperimen Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan menentukan nilai muatan butiran minyak tersebut. Pada eksperimen ini terjadi 2 pergerakan butiran minyak parafin yaitu pergerakan ke atas dan pergerakan ke bawah. Saat butiran minyak bergerak ke atas, butiran minyak tersebut hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi sedangkan pada saat butiran minyak mencapai batas garis atas, untuk membelokkan pergerakan minyak, pengamat perlu menekan tobol switch pembalik pada mikroskop untuk memberikan tegangan diantara kedua plat sehingga timbul medan listrik yang dapat membelokkan pergerakan butiran minyak dari batas atas menuju batas tengah. Sehingga pada gerak pembelokan tetes minyak dari batas atas menuju batas tengah selain dipengaruhi oleh gaya gravitasi, pergerakan tetes minyak juga dipengaruhi oleh medan listrik yang ditimbulkan oleh adanya tegangan listrik diantara kedua plat. Jadi ketika pergerakan tetes minyak yang diamati oleh pengamat dengan menggunakan mikroskop bergerak keatas, pada keadaan yang sebenarnya justru sebaliknya. Tetes minyak tersebut bergerak kebawah karena gaya gravitasi dengan arah ke bawah yang mempengaruhi pergerakannya. Begitu pula sebaliknya, ketika pengamat mengamati pergerakan tetes minyak melalui mikroskop bergerak ke bawah, pada kenyataannya pergerakan tetes minyak tersebut bergerak ke atas melawan gaya tarik gravitasi yang berarah ke bawah karena adanya medan listrik yang diberikan oleh pengamat. Pada eksperimen ini data yang akan didapatkan adalah data waktu yang diperlukan oleh tetes minyak parafin untuk menempuh batas atas dan batas bawah.. Berdasarkan data hasil pengamatan, terdapat selisih waktu nilai tetes minyak dari batas bawah ke batas atas (naik) dan batas atas ke batas bawah (turun). Dimana waktu tempuh tetes minyak dari atas ke bawah memiliki waktu yang cukup singkat dari pada waktu minyak turun. Hal itu dikarenakan gaya yang mempengaruhi pergerakan naik tetes minyak hanya gaya gravitasi sehingga pergerakan tetes minyak dipercepat kebawah. Sebaliknya, pada pergerakan tetes minyak ke bawah (yang sebenarnya ke atas), gaya gravitasi bumi yang berarah ke bawah (pusat bumi) harus mengalami gaya listrik yang arahnya berlawanan dengan arah gaya gravitasi bumi sehingga percepatan yang dialami oleh tetes minyak ini akan lebih kecil daripada percepatan yang dialami tetes minyak ketika tidak ada medan listrik yang mempengaruhinya. Berikut ini adalah data pengamatan yang diperoleh : 4
Tabel 2.1 Tetes Minyak Pertama Data Pengamatan Waktu dan Tegangan Pengukuran Jumlah Skala Waktu (AB) Waktu (CE) U1 U2 Loop 1 10 6.44 sekon 8.45 sekon 390 volt 600 volt Loop 2 10 6.12 sekon 7.44 sekon 410 volt 600 volt Data Pengamatan Kecepatan dan Tegangan No Pengukuran U 1 U 2 Kecepatan Naik Kecepatan Turun Untuk Loop ke- n (Volt) (Volt) 1 Loop 1 310 600 2 Loop 2 550 600 Tabel 2.2 Tetes Minyak Kedua Data Pengamatan Waktu dan Tegangan Pengukuran Jumlah Skala Waktu (AB) Waktu (CE) U1 U2 Loop 1 10 07.25 sekon 08.59 sekon 380 volt 600 volt Loop 2 10 08.06 sekon 09.30 sekon 420 volt 600 volt Data Pengamatan Kecepatan dan Tegangan No Pengukuran U 1 U 2 Kecepatan Naik Kecepatan Turun Untuk Loop ke- n (Volt) (Volt) 1 Loop 1 380 600 2 Loop 2 420 600 Setelah mendapatkan nilai kelajuan tetes minyak parafin baik yang bergerak naik karena pengaruh gaya gravitasi bumi dan ke bawah karena pengaruh medan listrik. Selanjutkan kita dapat menentukan besar jari-jari tetes minyak untuk setiap pengamatan. Namun pada perhitungan besar jari-jari tetes minyak ini, nilai kelajuan tetes minyak yang digunakan adalah nilai kelajuan yang hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi karena pada keadaan tersebut tetes minyak berada pada keadaan alaminya tanpa ada pengaruh dari luar. Besar jari-jari minyak pertama adalah dan besar jari-jari minyak kedua adalah Adapaun data hasil pengamatan dan perhitungan dengan menggunakan metode I yaitu : Tetes Minyak ke- Metode I q ( C ) q c ( C ) n e ( C ) Tetes Minyak 1 1.32 x 10-19 1.156 x 10-19 1 elektron 1.16 x 10-19 Tetes Minyak 2 1.11 x 10-19 0.927 x 10-19 1 elektron 0.97 x 10-19 Adapun juga data hasil pengamatan dan perhitungan dengan menggunakan metode II yaitu : Tetes Minyak ke- Metode II q ( C ) q c ( C ) n e ( C ) Tetes Minyak 1 24.9 x 10-19 21.8 x 10-19 14 elektron 1.7 x 10-19 Tetes Minyak 2 19.9 x 10-19 17.4 x 10-19 11 elektron 1.6 x 10-19 Pada percobaan ini menggunakan minyak paraffin yang memiliki massa jenis. Pada saat minyak paraffin disemprotkan dan masuk ke dalam ruang antar plat mengalami gerak jatuh bebas yang diakibatkan oleh gaya gravitasi. Saat butiran minyak jatuh terjadi gesekan terhadap udara ( fluida) dan cahaya lampu sehingga butiran minyak terionisasi. Ionisasi menghasilkan electron yang melekat akan melekat ke butiran minyak, sehingga tetes minyak menjadi bermuatan. Saat switch pembalik digerakkan ke atas maka tetes minyak yang bermuatan negative akan bergerak mengikuti gerakan switch pembalik yaitu tetes minyak akan mendekati plat kutub positif. Data yang diperoleh dari percobaan ini yaitu waktu saat tetes minyak naik dari batas garis bawah sampai batas garis atas dan waktu ketika tetes minyak turun dari batas garis atas ke batas garis bawah. Pada saat butiran naik waktu yang diperlukan lebih lama daripada saat butiran turun sehingga kecepatan saat naik lebih kecil daripada kecepatan saat turun. Semakin kecil waktu yang dibutuhkan butiran minyak untuk naik dan turun maka semakin besar kecepatannya. Semakin besar kecepatan gerakan 5
butiran minyak maka jari-jari tetesan minyak semakin besar akan menyebabkan muatan tiap butiran minyak juga semakin besar. 4 Kesimpulan Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan jari-jari tetes minyak pertama. Dan untuk minyak kedua r = Jumlah muatan pada metode I dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 1.32 x 10-19 C dan 1.11 x 10-19 C. Sedangkan jumlah muatan pada metode II dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 24.9 x 10-19 C dan 19.9 x 10-19 C Muatan electron berdasarkan metode pertama dengan tetes minyak pertama dan kedua adalah 1.156 x 10-19 C dan 0.927 x 10-19 C. Sedangkan dengan metode II yaitu 21.8 x 10-19 C dan 17.4 x 10-19 C. Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada Dosen pembimbing Fisika Eksperimental I yakni Bapak Andi Ahmad Zaidan, S.Si, M.Si yang telah membimbing praktikum dan terimakasih kepada teman-teman satu kelompok atas kerjasamanya dalam melakukan praktikum. Referensi [1] Hidayah, Latifatul., 2012,Tetes Minyak Milikan, Jurnal Praktikum Fisika Modern Tetes Minyak Milikan, 1-5. [2] Widodo, Aris., 2013, Percobaan Tetes Minyak Milikan, Jurnal Praktikum Fisika Modern, 1-4. [3] Zaidan, A., 2009, Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan. 6
LAMPIRAN I Analisa Data Hasil Perhitungan Jarak dan Kecepatan Masing Masing Loop Berdasarkan hasil perhitungan waktu tiap loop dengan jumlah skala pada lensa okuler x = 10 maka dapat diperoleh hasil jarak dan kecepatan masing masing loop baik naik dan turun adalah sebagai berikut : Jarak yang ditempuh oleh tetes minyak Loop 1 pada Waktu Naik Loop 1 pada Waktu Turun Loop 2 pada Waktu Naik Loop 2 pada Waktu Turun Loop 1 pada Waktu Naik Loop 1 pada Waktu Turun Loop 2 pada Waktu Naik Loop 2 pada Waktu Turun Untuk rata rata dan standar deviasi kecepatan turun dan naik maka dapat dilakukan cara sebagai berikut ini: Kecepatan rerata : Deviasi Standard ( ) 7
( ) 2. Tetes Minyak kedua ( ) ( ) 8
Sehingga hasil bacaan kecepatan naik dan turun adalah : 9
LAMPIRAN II Hasil Perhitungan Rerata Tegangan U 1 Standard Deviasinya Tegangan U 1 adalah tegangan pada saat menjaga tetes minyak tetap berada diantara pelat dan U 2 adalah tegangan yang digunakan untuk membuat naik tetes minyak. Disini yang besarnya variatif adalah U 1 sehingga yang memiliki rata rata dan standard deviasi adalah U 1 sedang U 2 memiliki nilai pasti yaitu 600 V (karena disetting demikian) dan standard deviasi adalah 0. Rata rata U 1 dan Standard Deviasinya ( ) volt Sehingga diperoleh hasil bacaan : ( ) volt Sehingga diperoleh hasil bacaan : 10
LAMPIRAN III Menentukan Jari Jari Tetes Minyak Milikan Menentukan jari jari tetes minyak milikan dapat ditentukan dengan : Dimana adalah viskositas udara 1,85 x 10-5 Pa.s dan dan v 1 adalah kecepatan turun sehingga : 2. Tetes Minyak Pertama 11
LAMPIRAN IV Penentuan Muatan Tetes Minyak Dengan Metode I Pengukuran muatan tetes minyak dapat diperoleh dengan dua metode, pada bagian ini akan dibahas pengukuran muatan tetes minyak dengan metode I (tanpa medan listrik) : Dimana massa jenis dan d = 6 mm atau dituliskan didalam satuan SI adalah 6 x 10-3 m dan η adalah viskositas udara 1,82 x 10-5 Pa.s Sehingga : ( ) C ( ) C 12
LAMPIRAN V Penentuan Muatan Listrik Minyak Dengan Menggunakan Metode II Untuk metode II dapat digunakan persamaan berikut ini : ( ) Dengan v 1 adalah kecepatan turun dan v 2 adalah kecepatan naik sehingga : ( ) ( ) ( ) C 24,9 C ( ) ( ) ( ) C 19,9 C 13
LAMPIRAN VI Koreksi Cunningham Pada Hasil Metode I dan II Koreksi Cunningham adalah suatu koreksi yang digunakan untuk menambah keakuratan dari hasil hasil pengukuran akibat adanya faktor lingkungan seperti tekanan udara. Bentuk muatan terkoreksi dengan koreksi cunningham adalah : Dimana b = 6,13 x 10-6 cmhg.m dan nilai r adalah jari jari tetes minyak dan p adalah tekanan udara disekitar yang mana p diambil 1 bar = 76 cmhg sehingga: ( ) Sehingga dari metode I, diperoleh muatan terkoreksi : Sedangkan untuk metode II, diperoleh muatan terkoreksi: 14
LAMPIRAN VII Menentukan Jumlah Elektron dalam Tetes Minyak dan Muatan Elektron Dari hasil yang diperoleh dari metode I, banyak elektron dalam tetes minyak diperoleh: Dari hasil yang diperoleh dari metode II, banyak elektron dalam tetes minyak diperoleh: Sedangkan dari hasil metode I diperoleh muatan dasar elektron : Sedangkan dari hasil metode II diperoleh muatan dasar elektron : = 1,7 = 1,6 Dari dua hasil diatas diperoleh bahwa muatan dasar elektron memiliki kesalahan relatif : Metode I Metode II 15
16
17