kamil arif patarai 3215106696 - thomson(1)
TRANSCRIPT
Kamilap Corp.
BAB I PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Pada tahun 1906, J.J. Thomson menemukan besaran perbandingan antara muatan dan massa
elektron (muatan spesifik 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. Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui
setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thomson, yaitu dengan menggunakan peralatan
tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan Medan listrik dan Medan magnet. Dalam
percobaanya, Thomson menggunakan tabung sinar katoda yang dilengkapi listrik dan medan
magnet serta mempercepat sinar katoda melalui tegangan tinggi yang kemudian dikendalikan
dengan medan magnet yang dihsilkan oleh sepasang koil Helmholtz. Eksperimen ini didasarkan
pada eksperimen Thomson tersebut, yaitu hubungan perbandingan e dan m dapat diperoleh
dengan mengukur jari-jari sinar r pada setiap nilai arus I dengan beberapa nilai Tegangan V.
Nilai arus I berbanding terbalik dengan r.
Kumparan yang di aliri arus listrik menghasilkan medan magnet. Nilai arus (I), tegangan
elektroda (∆V), dan radius lintasan elektron (r) memiliki hubungan untuk dapat mencari harga
(e) pada electron dengan menggunakan perbandingan e/m. Hubungan antar ketiganya dapat
diketahui dari sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang
membuat electron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan
listrik antara katoda dengan anoda. Nilai e/m diperoleh dari hubungan kesetimbangan gaya
antara gaya magnet dan gaya sentripetal elektron melalui pendekatan gaya Lorentz.
2. Identifikasi Masalah
1) Apa hubungan antara tegangan katoda VA terhadap jari- jari (r) dengan arus tetap?
2) Apa hubungan antara arus kumparan pada coil Helmholt dengan kuat medan
magnet?
3) Berapa besar nilai muatan elektron?
4) Berapa nilai perbandingan e/m yang diperoleh pada praktikum?
3. Pembatasan Masalah
Pembatasan masalah pada praktikum ini adalah: mencari nilai muatan electron massa
(e/m) pada saat eksperimen dan membandingkanya dengan literatur.
4. Perumusan Masalah
Perumusan masalah pada praktikum ini ialah: “Bagaimana perbandingan nilai (e/m)
secara eksperimen dengan literatur?”
5. Tujuan Praktikum
a. Mengetahui hubungan antara tegangan katoda VA terhadap jari-jari dengan arus tetap
b. Mengetahui nilai massa untuk elektron
c. Mengetahui nilai muatan pada elektron
d. Mempelajari hubungan arus kumparan dengan kuat medan magnet
e. Mengetahui nilai e/m hasil praktikum
f. Mengetahui nilai e/m pada literature
6. Manfaat Hasil Praktikum
Dengan melakukan eksperimen ini, kami dapat mengetahui dan memahami sifat dan
karakteristik elektron sehingga dapat menunjang pengaplikasian lebih lanjut dari sifat-sifat
kelistrikan. Serta mengetahui perbandingan nilai e/m hasil praktikum dengan literature.
BAB II KAJIAN TEORI
Model Atom Thomson
Thomson menemukan besaran perbandingan antara muatan dan massa elektron (muatan
spesifik elektron) yang berkesimpulan bahwa electron merupakan partikel paling dasar dari setiap
materi. Thomson menyatakan bahwa atom mengandung banyak sekali elektron-elektron yang
bermuatan negatif. Karena atom bersifat netral, maka didalam atom terdapat muatan-muatan positif
yang menyeimbangkan elektron yang bermuatan negatif. Thomson membuat model bahwa atom
berbentuk bola padat dengan muatan-muatan listrik positif tersebar merata diseluruh bagian bola;
muatan-muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron bermuatan negatif yang melekat pada
bola segaram pada bola bermuatan positif. Kesimpulan tersebut di dapatkan dari percobaanya
menggunakan tabung sinar katoda.
Tabung sinar katoda adalah tabung hampa udara yang dibuat dengan memanfaatkan teknik
pevakuman Geisler yang dapat memancarkan elektron dalam bentuk sinar katoda sebagai sinar
hijau pucat ketika saklar dihubungkan. Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui
setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thomson.Sinar katoda merupakan berkas distribusi
elektron yang terbentuk didalam tabung sinar katoda. Tabung sinar katoda ini memiliki ruang yang
didalam tabungnya sangat vakum. Katoda sebelah kiri sangat ditinggikan temperaturnya dengan alat
pemanas, dan elektrón-elektronnya menguap dari permukaannya. Penguapan elektrón ini disebut
sinar katoda. Sinar-sinar katoda dipercepat melalui tegangan tinggi yang dikendalikan dengan
medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil yang disebut sebagai kumparan Helmholtz
yang digunakan untuk menghilangkan medan magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet
yang konstan dalam ruang yang sempit dan terbatas.
Prinsip yang digunakan Thomson dalam melakukan pengukuran ini adalah 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.
Gambar 1 : Skema Alat Eksperimen Thomson
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), yang besarnya adalah :
1/2 m v2 = eV ................ (1)
dengan m adalah massa elektron, e adalah muatan elektron, v adalah kecepatan elektron dan V
adalah beda tegangan anoda–katoda, sehingga kecepatan elektron dapat ditulis sebagai :
v =√2eV /m ………….(2)
Orbit Elektron
Dari penemuannya ini J.J Thomson mengemukakan Hipotesis sebagai berikut : “Karena
elektron bermuatan negatif, sedangkan atom bermuatan listrik netral, maka haruslah dalam
atom ada muatan listrik positif, yang mengimbangi muatan elektron tersebut”.
Elektron tidak dapat diam, karena tidak ada sesuatu pun yang dapat memperthankanya
ditempat melawan gaya tarikan listrik dari inti. Namun, bila electron dalam keadaan gerak orbit
mantap dinamis sperti orbit planet mengelilingi matahari, dapat di skemakan seperti berikut:
Gambar 2. Elektron yang bergerak dalam medan magnet yang homogen
Gaya ini memaksa elektron bergerak dalam lintasan melingkar dengan jari-jari (r) dan
menghasilkan gaya sentripetal (Fs) :
.............................(3)
Pada kasus elektrom yang melewati medan listrik gaya cenderung menarik elektron
menuju pusat atom, sehingga hasilnya dapat memberantakan atom. Oleh karena itu, harus ada
gaya lain, yang melawan tarikan elektrik ini agar semua elektron dipertahankan tetap seimbang
pada jari-jari r. gaya tambahan ini dipasok oleh gaya tolak-menolak antara elektron sehingga
semua elektron tetap dalam kesetimbangan mantap. Elektron selanjutnya, melewati medan
listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus sehingga lintasannya lurus. Pada keadaan ini
gaya listrik sama dengan gaya Lorentz.
= ( x ) …………………………… (4)
= sin 900 = ……………..(5)
eE=Bev .................... (6)
Gambar 3 . Diagram lintasan elektron dalam eksperimen penentuan muatan spesifik elektron
dengan lilitan Helmholtz.
Jika elektron tersebut bergerak di dalam medan magnet B, maka akan mengalami gaya Lorenz
sebesar :
F = evB .................(7)
Untuk elektron v ┴ B. Hal ini akan menyebabkan 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 , yaitu:
v (m/s), jari-jari R (m),
F lorentz = F sentrifugal
mv2 /r = evB …………….. (8)
evB=mv2
R
eB=mvR
Dari persamaan dapat diperoleh perbandingan muatan dan massa elektron, yaitu:
Lilitan Helmholtz
Dua buah kawat melingkar yang sesumbu, masing-masing terdiri dari N buah lilitan dan diberi arus
I yang searah.
Gambar 4. Lilitan Helmholtz
Jika titik P bearada di tengah-tengah kumparan (z = b), maka karena arusnya searah, induksi magnet
di titik P sama dengan nol.
em
= 2 V
R2B2
θcosxR
ds
π4
Iμ
θcosxR
ds
π4
Iμ
θcos
22o
22o
dB
dB
dBdB x
21
2222
o
xR
R
xR
ds
π4
Iμ
dB
Dapat dilihat arah dB yang terbentuk dapat didefinisikan menjadi dB sinθ yang arahnya tegak
lurus arah X, dan dB cosθ yang arahnya sejajar arah X. Untuk setiap ds, maka dB sinθ yang
terbentuk akan saling meniadakan. Sehingga yang tersisa hanya dB pada arah cosθ. Jadi,
Seperti yang kita tahu jumlah elemen ds adalah keliling lingkaran kumparan sehingga ∫ds=2πR.
Jika kawat berarus tersebut memiliki panjang X=1/2R serta banyaknya lilitan kumparan
sebanyak 130 lilitan, maka besar medan magnet:
B=μo⋅I⋅R
4⋅π⋅( R2+x2)3
2
⋅ds
B=μo⋅I⋅R2
2⋅( R2+x2)3
2
B=μo⋅I⋅R2⋅8
2⋅53
2⋅R
⋅N
Kumparan yang digunakan ada 2 buah sehingga besar medan magnet yang terbentuk juga
dikali 2, menjadi:
Untuk praktikum kali ini alat yang digunakan terdiri dari 2 kumparan yang memiliki 130
lilitan dengan jari-jari sebesar 15 cm. Dibagian tengah dari kumparan terdapat tabung berbentuk
bola yang nantinya merupakan tempat terbentuknya berkas elektron setelah kumparan dialiri arus
listrik. Berikut adalah gambar dari alat yang digunakan dalam percobaan ini.
Gambar 4. skema alat eksperimen e/m
B=μo⋅N⋅I⋅8
53
2⋅R
BAB III METODOLOGI PRAKTIKUM
1. Alat dan bahan
Tabung vakum penghasil berkas elektron
Kumparan Helmholtz
Alat pengukur medan magnet (Teslameter)
Sensor pengukur medan magnet (Tangensial field probe)
Multimeter
Catudaya untuk kumparan Helmholtz
Catudaya 220Vac
2. Langkah – langkah praktikum dan prosedur
1) Mengukur Diameter Berkas Elektron:
a. Menyusun perlatan sperti gambar di bawah:
b. Memasang catu daya untuk tabung, dan menaikan tegangan VA secara perlahan-
lahan sampai 280 V
c. Setelah katoda menjadi panas dan berkas electron terbentuk , maka selanjutnya
adalah mengatur berkas dengan cara mengubah- ubah tegangan dalam selinder
wehnelt agar terbentuk suatu berkas sempit dan tajam tanpa pinggir-pinggir yang
baur.
d. Menyalakan catu daya untuk kumparan Helmholtz dan mengatur arus sedemikian
rupa sehingga berkas electron membentuk suatu lingkaran tertutup (garis tengah
kira-kira 8 cm)
e. Gerakan sekat sehingga lingkaran berkas electron berada dalam suatu garis yang
dapat dilihat oleh cermin yang ada dibelkang tabung.
f. Mengukur diameter berkas electron dengan mengurangi tegangan anoda VA
setiap 20 V dan 280 V sampai 120 V dengan arus tetap.
2) Mengukur Medan Magnet:
a. Mematikan seluruh catu daya pada rangkaian
b. Melepaskan hubungan kabel dan tabung vakum
c. Melepaskan salah satu kumparan Helmholtz
d. Memasang kembali salah satu kumparan Helmholtz
e. Mengukur nilai kuat medan magnet terhadap arus
3. Metode pengumpulan data
Metode pengumpulan data yang digunakan pada penelitian ini ialah dengan observasi.
Pengumpulan data secara observasi dilakukan dengan mengamati diameter elektron.
4. Jenis data yang di ukur dan diamati
Jenis data yang di ukur adalah diameter berkas electron, nilai kuat medan magnet terhadap
arus.
5. Table Data
Mengukur Diameter Berkas Elektron:
Mengukur Medan Magnet:
6. Teknik analisis
Teknik analisis data yang digunakan pada praktikum ini ialah dengan menggunakan
perhitungan. Berdasarkan pengamatan didapatkan diameter elektron dan besar kuat medan
magnet, dari data tersebut didapatkan nilai (e/m) yang nantinya dibandingkan secara teori.
Adapun persamaan yang digunakan yaitu:
em
= 2V
( Br )2
No Arus (ampere) Medan magnet (Tesla)
1
2
3
4
5