1 Tetes Minyak Milikan Rizky Firmansyah, Roihatur Rohmah, Fairus Salimatul F, Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Abstrak 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. Telah dilakukan percobaan tetes minyak Milikan yang bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak serta banyaknya setiap muatan butiran minyak. Prinsip kerja pada percobaan ini adalah prinsip bola jatuh pada eksperimen Tetes Minyak Milikan. Percobaan ini dilakukan dengan cara menyemprotkan minyak parafin ke dalam Milikan oil apparatus dengan menggunakan sprayer. Kemudian mengamati pergerakan dari salah satu butiran minyak dengan menggunakan mikroskop, dan mencatat waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas bawah dan sebaliknya. Percobaan dilakukan dengan tiga variasi tegangan yaitu 200V, 300V, dan 00V dan dilakukan 5 kali pengulangan pada masing-masing variasi tegangan, dan 5 kali pengulangan pada setiap butir untuk waktu yang ditempuh dari garis batas atas ke bawah dan sebaliknya. Ketika belum diberi tengangan, butiran minyak akan terlihat bergerak dari bawah ke atas karena pengaruh gaya gravitasi. Namun setelah kedua plat diberi tegangan dengan menekan tombol switch, maka butiran minyak yang mengandung elektron akan mendekati plat konduktor yang bermuatan positif dan menjauhi plat yang bermuatan negatif. Hal ini dipengaruhi oleh gaya listrik, sehingga dari sekian banyak butiran yang terdapat di dalam alat dapat diketahui mana yang mengandung elektron dan mana yang tidak mengandung elektron. Dari waktu dan tegangan yang diberikan pada butiran minyak dapat dihitung besar jarijari, muatan listrik serta jumlah muatan butiran minyak, sehingga diperoleh rata-rata jari-jari, besar q dan banyak muatan pada butiran minyak dengan variasi tegangan 200 V, 300 V dan 00V berturut-turut adalah 7.25x10-7 m, 1.08x10-6 m, dan 9.38x10-7, 1.13x10-18 C, 2.17x10-18 C, dan 1.30x10-18 C serta 2.923, 0.926 dan 2.833. Kata Kunci gaya listrik, jari-jari butiran minyak, prinsip bola jatuh. P I. PENDAHULUAN ada 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 E-mail: Roihatur.rohmah@gmail.com akan terjadi keseimbangan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik diantara dua plat konduktor tersebut. Experimen tetes minyak milikan merupakan eksperimen dalam menetukan muatan suatu elektron (e) dan bilangan avogadro (N) berrdasarkan 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 mempaelajari karakteristik atomik maupun kelistrikan secara mikro, maka eksperimen ini perlu untuk dilakukan. 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 [1]. 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) [2]. Gambar 1. Eksperimen Tetes Minyak Milikan Institut
2 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 v 0. Maka berlaku persamaan mg A=6 πr v 0 η......(1) Atau...(2) ( 3 ) π r3 ρg ( 3 ) π r3 ρ 0 g=6 πr v 0 η... Dimana ρ dan ρ 0 masing-masing ialah massa jenis kabut minyak dan udara. Dilain pihak dengan mengenakan medan listrik yang kuat medannya E=V/d dimana v dan d adalah beda potensial dan jarak antara kedua keping berlaku persamaan mg A+qE=6πr v 1 η......(3) Apabilav 1 ialah kecepatan jatuh butir minyak yang sudah tetap, yaitu sesudah gaya jatuhnya tepat diimbangi oleh gaya gesekan viskositas [2]. Demikianlah dengan mengurangkan kedua persamaan diatas satu dari yang lain, serta menghitung r dari persamaan yang pertama, akan terjabarkan rumus q= 1 6 π 9v 0 η v 2( ρ ρ 0 ) g (v 1 v 0 )η... d...() Pengukuran terhadap masing-masing dari sebanyak butir kabut minyak, menunjukkan bahwa nilai q yang diperoleh selalu merupakan kelipatan satuan muatan listrik yang ternyata adalah 1.6 10 19 coulomb, yang tak lain ialah muatan listrik elektron [2]. Medan listrik adalah ruang atau daerah yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik. Medan listrik selalu ada disekitar muatan listrik. Ada atau tidaknya gaya medan listrik di suatu daerah, diuji dengan cara menyimpan sebuah muatan uji pada daerah tersebut, jika muatan uji tersebut mendapat gaya, maka terdapat medan listrik di daerah tersebut E= F q......(5) Dengan E kuat medan listrik (N/C), F adalah gaya dialami muatan uji (N) dan q adalah besar muatan uji (C). Sedangkan gaya yang dialami muatan uji adalah F= kqqr r 2......(6) Maka, E= F q = kq r r......(7) [3] Viskositas (kekentalan) dapat dianggap sebagai gesekan di bagian dalam suatu fluida. Karena adanya viskositas ini, maka untuk menggerakkan salah satu lapisan fluida diatas lapisan lainnya, atau supaya satu permukaan dapat meluncur diatas permukaan lainnya bila diantara permukaan-permukaan ini terdapat lapisan fluida, haruslah dikerjakan gaya. Baik zat cair dan gas mempunyai viskositas, hanya saja zat cair lebih kental daripada gas. Didalam zat cair, viskositas dihasilkan oleh gaya kohesi antara molekul zat cair. Sedangkan dalam gas, viskositas timbul akibat tumbukan antara molekul gas []. Gabriel George Stokes adalah seorang fisikawan yang mendedikasikan hidupnya untuk meneliti fluida. Penelitiannya yang terkenal adalah hukum stokes, yang berbunyi Apabila suatu benda bergerak dengan kelajuan tertentu dalam fluida kental, maka gerakan benda dihambat oleh gaya gesek antara permukaan benda dengan fluida []. Persamaan untuk gaya kekentalan tidak akan kita rumuskan langsung berdasarkan hukum aliran fluida kental. Besaran-besaran yang mempengaruhi gaya itu ialah viskositas η fluida yang bersangkutan, radius r b ola itu, dan kecepatan relatiif terhadap fluida. Menurut George Stokes besarnya gaya gesek pada fluida ialah yang disebut gaya stokes dengan koefisien viskositasnya η, dengan konstanta k =6 πr. Sehingga gaya gesek (gaya stokes) dapat dirumuskan sebagai berikut F=kηv.....(8) Maka persamaan untuk gaya kekentalan itu ialah F=6 πrηv......(9) Seperti telah diketahui, sebuah bola yang jatuh ke dalam fluida kental akan mencapai kecepatan akhir v T pada saat gaya kekentalan yang menahan plus gaya apung sama dengan berst bola itu. Umpamakan ρ rapat massa bola ρ 0 rapat massa fluida. Jadi berat bola ialah 3 π r3 ρg, gaya apung 3 π r3 ρ 0 g, ddan apabila kecepatan akhir telah dicapai 3 π r 3 ρ 0 g +6 πrηv=/3 π r3 ρg......(10) v T = 2r 2 g 9 η(ρ ρ 0)....(11) [] Cairan didalam permukaan yang akan dihapus dan diganti dengan benda padat memiiki persis bentuk yang sama.
3 Tekanan pada setiap titik akan persis sama seperti sebelumnya, sehingga gaya yang bekerja pada tubuh dengan cairan sekitarnya akan berubah. Yaitu, cairan diberikannya pada tubuh kekuatan F y ke atas, yang sama dengan berat mg dari cairan awalnya menempati permukaan batas dan garis yang melewati pusat asli gravitasi [5]. Prinsip bola jatuh pada eksperimen tetes minyak milikan. Jika sebuah benda berbentuk bola jatuh bebas, dalam suatu fluida kental, kecepatannya akan terhambat, karena pengaruh gaya gravutasi bumi. Sehingga mencapai suatu kecepatan terbesar yang tetap. Kecepatan terbesar yang tetap tersebut dinamakan kecepatan terminal. Pada saat kecepatan terminal tercapai, beraku keadaan seperti berikut F y =0...(12) F A +F s =w.....(13) (1)...(15) ρ f v y +6πrηv=mg... ρ f ( 3 π r ) g+6 πrηv= ( 3 3 π r 3 ρ b ) g... v= 2r2 g 9η ( ρ b ρ f )......(16) Dengan v adalah kecepatan terminal (m/s), η koefisien viskositas fluida (pa.s), r jari-jari bola (m), g percepatan gravitasi (m/s 2 ), ρ b massa jenis bola (kg/m 3 ), ρ f massa jenis fluida (kg/m 3 ) [1]. Kecepatan gerak tetes minyak milikan dalam medan bebas dinyatakan dengan radius r, tetes minyak bergerak dalam medan yang kecepatannya konstan v, berat, nilai gaya normal dan gaya stokes bisa diabaikan. Bila diatur kecepatan jatuh tetes minyak v, ialah tetap berlaku hukum pertama Newton F=0... (17) F y w ek F u F s =0.....(18) F u gaya apung udara (Archimedes) yang besarnya F u =m 1 g....(19) F s gaya gesekan stokes F s =6 πrηv....(20) Maka, (21) mg m 1 g 6 πrηv=0... Jika m m 1 =m, maka diperoleh rumus mg 6 πrηv 1 =0... (22) mg adalah gaya gerak diperoleh dari gaya normal dengan rumus: ρ m ρ air =ρ... (23) Dengan ρ air densitaas minyak dan ρ m densitas udara. Sehingga diperoleh persamaan vρg 6 πrηv 1 =0... (2) Volume tetes minyak dengan rumus V = /3 π r 3 t......(25) Maka, 3 π r 3 tρg 6 πrηv 1 =0......(26) Jika tegangan diberikan pada plat kapasitor dengan jarak d dan kecepatan tetes minyak naik secara konstan v s besar yang dihasilkan gaya normal, gaya stokes dan medan listrik berlaku rumus: mg+6 πrη v 1 qe=0... (27) Jika E=u /v dan mg= /3 π r 3 g maka dihasilkan persamaan...(28) 3 π r 3 g qu v +6 πrηv 1=0... Jika m m 1 =m gaya medan listrik dapat dimasukkan, maka.(29).(30) mg=6 πrηv... vρg=6 πrηv 1... v=6πrη v 1 / ρg.....(31) Maka bisa berlaku, ρ= ρ air ρ m... (32)...(33)...(3) 3 π r = 6πrη v 1 3 ρg... r 2 = 6ηv ρg. 3...
.(35) (36) [1] r 2 =9η v 1 /2 ρg... r= 9ηv/2 ρg... garis batas atas. Posisi switch dikembalikan ke posisi awal, lalu diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas atas menuju garis batas bawah. Di lakukan pengulangan sebanyak 5 kali dengan variasi tegangan input yang diberikan. Sprayer Mikroskop Minyak Parafin II. METODE A. Alat dan Bahan Peralatan dan bahan yang digunakan pada percobaan Tetes Minyak Milikan adalah Milikan Oil Apparatus berfungsi untuk mengetahui besar jari-jari tetesan minyak serta banyaknya setiap muatan butiran minyak, sprayer berfungsi untuk menyemprotkan minyak parafin ke dalam Milikan Oil Apparatus, minyak parafin berfungsi sebagai minyak yang akan ditentukan jari-jari tetesan minyak serta banyaknya setiap muatan butiran minyak, mikroskop berfungsi untuk mengetahui jarak butiran minyak bergerak dari garis batas bawah ke garis batas atas maupun sebaliknya, dan stopwatch berfungsi untuk mencatat waktu tempuh dari garis batas bawah ke garis batas atas maupun sebaliknya. B. Skema Alat Berikut adalah skema alat yang digunakan pada percobaan Tetes Minyak Milikan. Milikan Oil Apparatus Gambar 2. Skema alat percobaan Tetes Minyak Milikan Mulitmeter C. Cara Kerja Cara kerja pada percobaan ini adalah pertama, disiapkan alat dan bahan yang akan digunakan dalam percobaan, lalu tegangan input yang digunakan, diatur dengan multimeter. Kedua, minyak parafin dimasukkan ke ruang penyemprotan dengan digunakan sprayer. Setelah itu, dicari dan ditetapkan salah satu butiran minyak yang akan dijadikan objek pengamatan dengan digunakan mikroskop. Ketiga, medan listrik diatur dengan switch pembalik digerakkan ke arah atas. Selanjutnya diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas bawah menuju D. Perhitungan Adapun rumus dan contoh perhitungan yang digunakan pada percobaan Tetes Minyak Milikan sebagai berikut. Rumus : v gravitasi = S t turun.....(37) v medan = S......(38) t naik r= 9 ηv 2 ρg...(3 6π ηrd q= (v V gravitasi +v medan )..(0) Contoh perhitungan : Diketahui : S=0,0005 m t turun =1,7 s t naik =3,06 s V =200 Volt η parafin =2,311 poise g=9,8 m/ s 2 ρ parafin =920 kg/m 3 d=0,005 m Ditanya : r= q= Jawab : v gravitasi = S t turun v gravitasi = 0,0005 1,7 v gravitasi =3,392 10 5 m/s v medan = 0,0005 3,06 v medan =1,6339 10 m/s Maka, v=v gravitasi +v medan v=3,392 10 5 +1,6339 10 v =0,00019732m/ s Sehingga untuk mendapatkan nilai r (besar jari-jari tetesan
5 minyak) digunakan rumus sebagai berikut. r= 9ηv 2 ρg 9 2,311 0,00019732 r= 2 920 9,8 r=0,00077073m Jadi, nilai q (banyak muatan setiap butiran minyak) adalah sebagai berikut. 6π ηrd q= (v gravitasi +v medan ) q= V 6 2,311 0,00077073 0,005 3,1 0,00019 200 q=1,0265 10 10 C Adapun Flowcahrt percobaan Tetes Minyak Milikan sebagai berikut. Alat dan bahan disiapkan Start III. Gambar 3. Flowchart percobaan HASIL DAN PEMBAHASAN Berikut adalah data hasil percobaan serta data hasil perhitungan dari data yang telah didapat pada percobaan Tetes Minyak Milikan yang telah dilakukan : Tabel 1. Data hasil percobaan Tetes Minyak Milikan Tegangan input diatur Minyak parafin dimasukkan keruang penyemprotan Ditetapkan butiran minyak yang dijadikan objek Ganti tegangan input Medan listrik diatur Tabel 2. Hasil perhitungan dari data yang telah didapat pada tegangan 200v Diamati dan dicatat waktu tempuh butiran dari garis bawah ke atas Posisi switch dikembalikan ke posisi awal Diamati dan dicatat waktu tempuh butiran dari garis atas ke garis bawah Finish
6 Telah dilakukan percobaan tetes minyak milikan yang bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetsan minyak dan untuk menentukan banyaknya setiap muatan butiran minyak. Cara kerja pada percobaan ini adalah dengan menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan yaitu milikan oil apparatus, sprayer, minyak parafin, mikroskop dan stopwatch. Disambungkan alat dengan sumber tegangan, lalu diatur tegangan input dengan variasi tegangan 200V, 300V, dan 00V. Setelah diatur tegangan input, minyak parafin dimasukkan ke ruang penyemprotan dengan menggunakan sprayer. Saat minyak parafin disemprotkan ke ruang penyemprotan akan terlihat butiran-butiran minyak pada mikroskop. Setelah itu dicari satu butiran yang akan dijadikan objek pengamatan melalui mikroskop. Medan listrik diatur dengan digerakkan kearah bawah, sehingga terlihat butiran mana yang dipengaruhi oleh medan listrik tersebut. Diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas bawah ke batas atas. Setelah itu switch pembalik diatur ke posisi awal, dan diamati pula waktu yang ditempuh butiran dari batas atas ke garis batas bawah. Langkah tersebut diulang sebanyak 5 kali pengulangan dengan mengamati 3 butiran yang berbeda dan dengan variasi tegangan yang telah ditentukan. Pada saat butiran minyak yang telah disemprotkan ke ruang penyemprotan tidak diberi medan listrik. Pergerakan butiran tersebut mengarah kebawah, yang sebenarnya butiran tersebt mengarah ke atas, karena sifat mikroskop yang terbalik. Pergerakan kebawah tersebut dipengaruhi oleh gaya gravitasi kebawah dan gaya gesek yang mengarah ke atas. Gesekan itu terjadi pada butiran minyak dengan fluida, yang kebetulan fluida disini adalah udara. Arah gaya gesek tersebut mengarah keatas karena selalu berlawanan dengan arah gerak benda. Butiran minyak tersebut juga dipengaruhi oleh gaya Archimedes. Dan pada saat butiran minyak tersebut dipengaruhi oleh medan listrik, butiran tersebut telah dipengaruhi oleh gaya listrik dan mengandung muatan. Muatan tersebut yang membuat butiran tersebut bergerak saat diberi medan listrik. Medan listrik sendiri adalah daerah atau ruang yang masih dipengaruhi oleh gaya listrik. Gaya listrik tersebut terjadi pada lampu yang ada pada alat. Cahaya lampu tersebut terpolarisasi menjadi energi listrik, sehingga butiran minyak tersebut juga dipengaruhi oleh gaya listrik. Akan tetapi, tidak semua butiran minyak memiliki muatan atau dipengaruhi oleh medan listrik. Setelah dilakukan percobaan dan didapatkan beberapa data yaitu data waktu, waktu saat naik dan saat turun, dan tegangan yang telah diketahui sebelumnya. Dari data tersebut kita dapat menghitung jari-jari butiran tersebut, dengan menggunakan rumus r= 9ηv. Setelah didapat nilai r 2 ρg ( jari-jari) tersebut kita dapat mencari muatan pada butiran minyak tersebut dengan menggunakan rumus q= 6 πηrd (v v gravitasi +v medan ). Nilai q ( muatan) yang diperoleh pada percobaan ini ada yang berbeda dengan nilai q yang sebenarnya, ada yang sama dan ada pula yang mendekati nilai q yang sebenarnya. Perbedaan tersebut dapat ditimbulkan karena ketidaktelitian praktikan saat mengamati objek butiran tersebut. Atau bisa dikarenakan mata yang lelah saat mengamati butiran minyak. Bisa juga dikarenakan faktor cahaya lampu yang ada dalam ruangan sehingga menyebabkan penglihatan terhadap butiran yang kurang jelas sehingga berkaitan dengan perhitungan waktu tempuh butiran minyak. IV. KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa nilai rata-rata jari-jari (r), besar q dan banyak muatan pada butiran minyak dengan variasi tegangan 200 V, 300 V dan 00V berturut-turut adalah 7.25x10-7 m, 1.08x10-6 m, dan 9.38x10-7, 1.13x10-18 C, 2.17x10-18 C, dan 1.30x10-18 C serta 2.923, 0.926 dan 2.833. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis Rizky Firmansyah mengucapkan terimakasih kepada asisten laboratorium Roihatur Rohmah dan Fairus salimatul F, atas bimbingannya selama praktikum berlangsung pada percobaan Tetes Minyak Milikan. Saya selaku penulis juga berterimakasih kepada dosen mata kuliah Fisika Modern Bapak Eddy Yahya, yang telah memberikan materi-materi sebagai penunjang dalam melaksanakan dan teman-teman kelompok 9 yang senantiasa bekerja sama dalam praktikum ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Krene J Kenneth. 1992. Fisika Modern. UI:Press Jakarta [2] Soedojo Peter. 2001. Azas-azas Ilmu Fisika Jilid Fisika Modern. Gadjah Mada University Press:Yogyakarta [3] Giancoli, Douglas C. 2005. Physics Priciple with Application. Pearson Education,INC:USA [] Zemansky, Sears. 1962. Fisika Untuk Universitas 1. Binacipta:Jakarta [5] Richards. A. James, dkk. 1960. Modern University Physics.:Addison- Wesley publishing company, INC:U.S.A
7 LAMPIRAN
8 Tabel 1. Hasil perhitungan dari data yang telah didapat pada tegangan 300v Tabel 2. Hasil perhitungan dari data yang telah didapat pada tegangan 00v