Download - LINTASAN ELEKTRON
LAPORAN AKHIR
FISIKA EKPERIMEN II-A
ELEKTRON FINE BEAM TUBE
(EFBT)
Nama : Purwansah Winada
NPM : 140310110005
Partner : Aditya Satriady
NPM : 140310110047
Hari / Tanggal Praktikum : Selasa / 22 Oktober 2013
Waktu : 15.00-17.30 WIB
Asisten : Chandra Leonardo
LABORATORIUM FISIKA EKSPERIMEN LANJUTAN
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS PADJADJARAN
2013
LEMBAR PENGESAHAN
PRAKTIKUM FISIKA EKSPERIMEN II-A
ELEKTRON FINE BEAM TUBE
(EFBT)
Nama : Purwansah Winada
NPM : 140310110005
Hari / Tanggal Praktikum : Selasa / 22 Oktober 2013
Waktu : 15.00-17.30 WIB
Asisten : Chandra Leonardo
Jatinangor, 29 Oktober 2013
Asisten,
Nilai
Lapen Speaken Lapak Presentasi
(………………………….)
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Elektron merupakan muatan negatif yang berada dalam atom. Elektron
yang bergerak serta dipengaruhi oleh medan magnet homogen maka akan timbul
gaya Lorentz. Besarnya tegangan yang diberikan akan mempengaruhu besarnya
kecepatan electron maka arus dapat dialirkan dan yang akan terjadi adalah
dihasilkannya medan magnet, sehingga elektron bergerak pada lintasan dengan
diameter tertentu, dengan hubungan ini, maka dapat diketahui besarnya muatan
spesifik e/m yang dimiliki elektron. Berangkat dari sanalah praktikan ingin
membuktikan hal tersebut. Jadi sangatlah penting mempraktikumkan
praktikumkan kali ini.
I.2 Identifikasi Masalah
Adanya medan magnet ternyata akan mempengaruhi lintasan elektron.
Oleh karena itu lintasan elektron memiliki muatan spesifik yaitu e/m dimana
besarnya dipengaruhi oleh medan magnet, tegangan dan jari-jari elektron,
maka diperoleh harga e/m sebesar 1,7x1011 C/Kg. Selain itu juga menghitung
muatan spesifik e/m yang diakibatkan pembelokan berkas elektron oleh medan
magnetik homogen.
I.3 Tujuan Percobaan
- Menghitung muatan spesifik e/m melalui pembelokan berkas elektron oleh
medan magnetik homogen.
BAB II
TEORI DASAR
II.1 Pengertian Elektron
Elektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif dan umumnya
ditulis sebagai e-. Elektron tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur
apapun yang diketahui, sehingga ia dipercayai sebagai partikel elementer.
Elektron memiliki massa sekitar 1/1836 massa proton. Momentum sudut (spin)
instrinsik elektron adalah setengah nilai integer dalam satuan ħ, yang berarti
bahwa ia termasuk fermion. Antipartikel elektron disebut sebagai positron, yang
identik dengan elektron, tapi bermuatan positif. Ketika sebuah elektron
bertumbukan dengan positron, keduanya kemungkinan dapat saling berhambur
ataupun musnah total, menghasilan sepasang (atau lebih) foton sinar gama.
Elektron, yang termasuk ke dalam generasi keluarga partikel lepton pertama,
berpartisipasi dalam interaksi gravitasi, interaksi elektromagnetik dan interaksi
lemah. Sama seperti semua materi, elektron memiliki sifat bak partikel maupun
bak gelombang (dualitas gelombang-partikel), sehingga ia dapat bertumbukan
dengan partikel lain dan berdifraksi seperti cahaya. Oleh karena elektron termasuk
fermion, dua elektron berbeda tidak dapat menduduki keadaan kuantum yang
sama sesuai dengan asas pengecualian Pauli.(1)
Konsep muatan listrik yang tidak dapat dibagi-bagi lagi diteorikan untuk
menjelaskan sifat-sifat kimiawi atom oleh filsuf alam Richard Laming pada awal
tahun 1838;[6] nama electron diperkenalkan untuk menamakan muatan ini pada
tahun 1894 oleh fisikawan Irlandia George Johnstone Stoney. Elektron berhasil
diidentifikasikan sebagai partikel pada tahun 1897 oleh J. J. Thomson. (1)
Dalam banyak fenomena fisika, seperti listrik, magnetisme dan konduktivitas
termal, elektron memainkan peran yang sangat penting. Suatu elektron yang bergerak
relatif terhadap pengamat akan menghasilkan medan magnetik dan lintasan elektron
tersebut juga akan dilengkungkan oleh medan magnetik eksternal. Ketika sebuah elektron
dipercepat, ia dapat menyerap ataupun memancarkan energi dalam bentuk foton. Elektron
1
bersama-sama dengan inti atom yang terdiri dari proton dan neutron, membentuk atom.
Namun, elektron hanya mengambil 0,06% massa total atom. Gaya tarik Coulomb antara
elektron dengan proton menyebabkan elektron terikat dalam atom. Pertukaran ataupun
perkongsian elektron antara dua atau lebih atom merupakan sebab utama terjadinya ikatan
kimia. (1).
II.1.1 Atom Bohr
Model atom Bohr dinyatakan dengan dua postulat, yaitu :
1. Elektron tidak dapat mengelilingi inti melalui lintasan yang sembarang, tetapi
hanya dapat melalui lintasan-lintasan tertentu saja yang membebaskan energi.
Lintasan itu disebut lintasan stasioner. Pada lintasan stasioner elektron
memiliki momen angular yang besarnya merupakan kelipatan integral dari
Dinyatakan :
2. Oleh karena suatu sebab, elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke
lintasan lain dengan memancarkan atau menyerap energi foton.
Meskipun keberhasilan teori atom Bohr ini mengesankan, model ini masih
belum lengkap. Model ini hanya bermanfaat bagi atom-atom yang mengandung
satu elektron saja, tetapi tidak untuk atom-atom yang memiliki dua elektron atau
lebih, karena gaya yang di tinjau hanyalah antara inti dan elektron, sedangkan
gaya antara elektron diabaikan. Karena teori atom Bohr tidak dapat menjelaskan
mengenai atom yang memiliki elektron lebih dari satu, maka perkembangan atom
selanjutnya beralih pada mekanika kuantum.
h2 π
m . v . r=n.h
2 π
Sebuah elektron bermassa m dengan muatan e bergerak dengan kecepatan
konstan v dibawah pengaruh medan magnet homogen dengan rapat fluks B yang
arahnya tegak lurus terhadap arah gerakan elektron mengakibatkan munculnya
gaya Lorentz :
F = e . B . v
Dengan adanya medan magnet dan kecepatan maka partikel tersebut akan
membentuk suatu lintasan elektron, yang dipengaruhi oleh besarnya arus dan
tegangan yang diberikan. Dari faktor-faktor yang mempengaruhinya seperti gaya
Lorentz, gaya Sentripetal, Hukum Kekekalan, maka akan didapatkan nilai muatan
spesifiknya sebagai berikut :
em
=2U A
B2 xr 2
Menurut teorinya, kebanyakan elektron dalam alam semesta diciptakan
pada peristiwa Big Bang (ledakan besar), namun ia juga dapat diciptakan melalui
peluruhan beta isotop radioaktif maupun dalam tumbukan berenergi tinggi,
misalnya pada saat sinar kosmis memasuki atmosfer. Elektron dapat dihancurkan
melalui pemusnahan dengan positron, maupun dapat diserap semasa
nukleosintesis bintang. Peralatan-peralatan laboratorium modern dapat digunakan
untuk memuat ataupun memantau elektron individual. Elektron memiliki banyak
kegunaan dalam teknologi modern, misalnya dalam mikroskop elektron, terapi
radiasi, dan pemercepat partikel.2
Gambar 1: elektron pada atom
II.2 Medan Magnet
Medan magnet, dalam ilmu Fisika, adalah suatu medan yang dibentuk
dengan menggerakan muatan listrik (arus listrik) yang menyebabkan
munculnya gaya di muatan listrik yang bergerak lainnya. (Putaran mekanika
kuantum dari satu partikel membentuk medan magnet dan putaran itu
dipengaruhi oleh dirinya sendiri seperti arus listrik; inilah yang menyebabkan
2
medan magnet dari ferromagnet "permanen"). Sebuah medan magnet adalah
medan vektor: yaitu berhubungan dengan setiap titik dalam ruang vektor yang
dapat berubah menurut waktu. Arah dari medan ini adalah seimbang dengan
arah jarum kompas yang diletakkan di dalam medan tersebut.2
Gambar garis-garis medan magnet
II.3 Gaya Lorentz
Gaya Lorentz merupakan kawat berarus yang diletakkan memotong garis
garis medan magnetik yang dihasilkan oleh pasangan kutub utara-selatan suatu
magnet tetap akan mengalami gaya magnetik. Arah Gaya Lorentz dapat
ditentukan dengan telapak tangan kanan yang disebut "Kaidah telapak tangan
kanan" yang berbunyi :
- Buka telapak tangan kanan dengan 4 jari selain jempol dirapatkan. Arahkan
keempat jari yang dirapatkan sesuai dengan arah induksi magnetik B dan
arahkan jempol hingga sesuai dengan arah kuat arus listrik i, maka arah gaya
Lorentz, F , yang dialami oleh konduktor akan sesuai dengan arah dorongan
telapak tangan.(2)
Adapun besar gaya Lorentz dinyatakan oleh :
F = i L B sin 0
L = panjang konduktor
0 = Sudut apit terkecil antara arah arus i dan arah arus induksi magnetik B
II.4 Lintasan elektron pada medan magnet
Jika suatu muatan elektron bergerak di dalam ruang yang berada di bawah
pengaruh medan magnet atau medan listrik maka muatan tersebut akan
mengalami gaya sehingga pergerakan elektron akan menyimpang. Adanya gejala
fisis ini dipertimbangkan sebagai pergerakan muatan elektron didalam medan
magnet maupun medan listrik persis seperti partikel yang dilemparkan horizontal
didalam medan gravitasi bumi. Percobaan ini menggunakan sebuah tabung katode
dan kumparan yang berfungsi untuk menghasikan medan magnet. Kumparan ini
disebut kumparan Helmholtz (yaitu kumparan yang memiliki besar jari-jari sama
dengan jarak kedua kumparan) yang digunakan untuk menghilangkan medan
magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet yang konstan dalam ruang
yang sempit dan terbatas.(3)
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 kekekalan energi, jika tidak ada usaha
yang dikenakan pada elektron, maka elektron tersebut akan mempunyai energi
kinetik akibat tegangan (V). (3)
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. (3)
Pada praktikum ini akan terjadi gaya yang konstan pada penyusunan
potensialnya ketika electron bergerak pada mean magnet yang. Sehingga
hukumnya seperti hukum benda-benda, dari hukum newton:
md2 xdt 2
=−Ee
m = massa dari elektron = 9.107 x 10-31
x = panjang lintasan(m)
t = waktu(s)
−E=dV
dx adalah gradien dari potensial, volt per meter
e = muatan elektron = 1,602 x 10-19
dari persamaan diatas diperoleh
v=dx
dt=− e
mEt
(m/s)
Dapat kita lihat, pada saat t=0 konstatnta diatas menjadi nol karena kecepatan
yang diberika adalah nol. Sehingga Intergral terhadap waktu memberikan kita
rumusan sebagai berikut :
x=1
2em
Et 2
(m)
Dan dilihat pula, pada keadaan ini konstanta bernilai nol lagi untuk permulaan
elektron yang bergerak dari tempat yang tidak memiliki potensial. (3)
Ketika V=−Ex terjadi, elektron akan menjadi jatuh. Pada
keadaan persamaan sebelumnya, energi kinetik diberikan oleh permulaan
elektron sederajat dengan energi yang hilang atau dilepaskan, sehingga solusi
untuk v selanjutnya menjadi :
v=√−2 Exe
m=√ 2 eV
m (m/s)
Sehingga muatan spesifiknya:
em
=2U A
B2 xr 2
Suatu elektron yang bergerak dalam suatu medan elektrostatik yang
homogen mengalami gaya konstan pada penyusunan potensialnya. Hasilnya,
hukum-hukum yang berhubungan dengan permulaan elektron sama dengan
hukum pada suatu benda yang dipengaruhi oleh medan gravitasi setelah
ditemukannya kecepatan yang sangat tinggi yang tidak terjangkau. Dari
Hukum II Newton diperoleh :
md2 xdt 2
=−Ee
dimana : m = massa dari elektron = 9.107 x 10-31
x = panjang dalam meter
t = waktu dalam second
−E=dV
dx merupakan gradien dari potensial, volt per meter
e = muatan elektron = 1,602 x 10-19
dari persamaan pertama diperoleh
v=dx
dt=− e
mEt
(m/s)
konstanta diatas menjadi nol karena kecepatan diberikan bernilai nol pada saat
t = 0. Intergral terhadap waktu memberikan kita rumusan sebagai berikut :
x=1
2em
Et 2
(m)
pada keadaan ini konstanta bernilai nol lagi untuk permulaan elektron yang
bergerak dari tempat yang tidak memiliki potensial.
Ketika V=−Ex terjadi, elektron menjadi jatuh. Pada keadaan
persamaan sebelumnya energi kinetik diberikan oleh permulaan elektron
sederajat dengan energi yang hilang atau dilepaskan, solusi untuk v
selanjutnya menjadi :
v=√−2 Exe
m=√ 2 eV
m (m/s)
Sehingga muatan spesifik dapat dihitung dengan persamaan :
em
=2U A
B2 xr 2
BAB III
PROSEDUR PERCOBAAN
III.1 Alat – alat dan Bahan Percobaan serta fungsinya
1. Fine Beam Tube (FBT)
Digunakan sebagai tabung hampa udara untuk menempatkan elektron
sehingga bebas bergerak
2. Kumparan Helmholtz (HC)
Digunakan untuk menempatkan FBT dan kumparan sehingga keduanya
saling berhubungan.
3. Teslameter
Digunakan untuk mengukur besar medan magnetik.
4. Tangential B-Probe
5. Power Supply, 300 V/50 Ma
Digunakan untuk memberikan tegangan masukan pada rangkaian sehingga
rangkaian percobaan dapat berjalan dengan baik.
6. Voltmeter
Digunakan untuk mengukur tegangan yang mempengaruhi rangkaian
EFBT.
7. Sumber Arus
Digunakan untuk mengontrol besarnya aliran arus yang dimasukan
kedalam rakaian sehingga pemancaran elektron lebih terencana.
8. AV meter
Digunakan untuk mengukur arus dan tegangan.
9. Jangka Sorong
Digunakan untuk mengukur diameter lingkaran dari lintasan elektron yang
berupa deflesi sinar elektron.
10. Kabel-kabel penghubung
Digunakan untuk menyambungkan rangkaian yang satu ke rangkaian yang
lainnya.
III.2 Prosedur Percobaan :
A. Kalibrasi Medan Magnet
a. Fine Beam Tube diangkat dengan hati-hati, disimpannya di tempat yang
aman.
b. Tangential B-Probe ditempatkan yang sudah dihubungkan dengan
Teslameter di tengah-tengah antara kedua kumparan Helmholtz.
c. Input kumparan Helmhotz dihubungkan dengan sumber arus.
d. Teslameter dan sumber arus dihubungkan dengan jaringan PLN 220 V.
e. Teslameter dan sumber arus dinyalakan, mencatat angka yang ditunjukkan
teslameter untuk setiap variasi arus yang diberikan (0-2 A).
B. Pengukuran Jari-jari Lintasan Elektron Sebagai Fungsi Tegangan r = f(UA)
1. Sumber arus dan sumber tegangan dipastikan dalam keadaan mati.
2. Rangkaian dibuat seperti pada gambar 2.
3. Tangential B-Probe diangkat, ditempatkan dengan hati-hati Fine Beam
Tube pada tempat semula.
4. Power Supply dan sumber arus dinyalakan. Mengatur penunjukkan
sumber arus pada nilai konstan tertentu (mulai dari nilai kecil).
5. tegangan anoda (power supply) diatur sehingga diperoleh gambar yang
bagus, mengukur jari-jari lintasan elektron (gunakan pembatas yang
tersedia untuk memudahkan pengukuran).
6. nilai tegangan anoda diubah-ubah dan melakukan pengukuran seperti pada
(5). Melakukan minimal 10 variasi tegangan (100 V – 300 V).
7. (5) dan (6) dilakukan untuk arus konstan yang berbeda (besarnya nilai arus
konsultasikan dengan asisten).
C. Pengukuran Jari-jari Lintasan Elektron Sebagai Fungsi Medan Magnet, r=f
(B)
1. Sumber arus dan sumber tegangan dipastikan dalam keadaan mati.
2. Rangkaian dibuat seperti pada gambar (2).
3. Power Supply dan sumber arus dinyalakan, diatur penunjukkan power
supply (tegangan anoda) pada nilai konstan tertentu.
4. Arus kumparan diatur agar diperoleh gambar yang baik, mengukur
diameter lintasan dengan menggunakan bantuan pembatas yang tersedia.
5. Nilai arus kumparan diubah-ubah dan melakukan pengukuran seperti pada
(4), melakukan pengukuran untuk minimal 10 variasi arus kumparan (1A –
2A).
6. Prosedur 4 dan 5 dilakukan untuk tegangan anoda konstan yang berbeda
(besarnya nilai tegangan anoda konsultasikan pada asisten).
D. Hubungan Arus Kumparan-Tegangan Anoda ditentukan (I = f (UA)) Pada
Jari-jari Konstan
1. Sumber arus dipastikan dan sumber tegangan dalam keadaan mati.
2. Rangkaian dibuat seperti pada Gambar 2.
3. Power Supply dinyalakan dan sumber arus, diberikan tegangan anoda
maksimum (300 V), diatur arus sehingga lintasan elektron mempunyai
diameter tertentu, mencatat nilai r, V dan I.
4. Tegangan anoda (300 V – 100 V) diubah-ubah, diatur kembali arus
pada setiap nilai tegangan sehingga diperoleh diameter lintasan
elektron yang sama dengan diameter pada keadaaan awal. dilakukan
untuk minimal 10 variasi.
5. Diulangi langkah 3 – 4, untuk diameter lintasan elektron tertentu yang
berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
1 Anonim. http://id.wikipedia.org/wiki/Elektron. Diakses 5/10/2013
2 Anonim.http://id.wikipedia.org/wiki/Medan_magnet. Diakses 5/10/2013
3Septiadah.http://septiadiah.wordpress.com/2011/10/22/fisika-eksperimental-
percobaan-em-elektron/. Diakses 5/10/2013
4 Kenneth S Krane. 1993. Fisika Modern,.Penerjemah Hans J. Woesparkik. Jakarta
Universitas Indonesia.