LINTASAN ELEKTRON DALAM MEDAN MAGNET

Albert Agung Yohanes Hutapea (140310120034)

Program Studi Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran

07 November 2014

Asisten : Utari HandayaniABSTRAKElektron merupakan suatu muatan negatif yang mengelilingi elektron. Hal ini bisa kita umpamaakan dengan benda- benda langit yang mengelilingi matahari. Sama seperti benda langit, elektron bergerak mengelilingi inti atom dengan adanya suatu lintasan. Lintasan ini menentukan tingkat energi atom. Atom yang bergerak keluar lintasan disebut elektron bebas dan elektron bebas ini menimbulkan suatu energi bila diberi suatu pengaruh dari luar. Elektron bebas menentukan kuat suatu bahan dapat menghantarkan listrik atau tidaknya. Seperti yang dikatakan tadi elektron bergerak dalam suatu lintasan dan elektron yang berpindah bahkan keluar dari lintasan dipengaruhi pengaruh dari luar, salah satunya medan magnet (B). Jika suatu magnet diberi arus maka arah medan magnet akan berubag seiring bertambahnya arus. Elektron yang bergerak dalam lintasan dapat kita gambarkan dengan gaya sentripetal dimana elektron bergerak melingkar menuju inti atom dan gaya tarik menarik yang terjadi adalah inti atom dengan elektron.Pada percobaan ini kami mencari pengaruh medan magnet terhadap lintasan elektron. Dengan menggunakan alat peraga, kami memberi tegangan dan arus masukan. Parameter ini kemudian menghasilkan lingkaran cahaya biru yang sebenarnya merupakan lintasan elektron. Hasil percobaan kami menunjukan pengaruh medan magnet terhadap lintasan elektron adalah semakin besar medan magnet maka semakin kecil jari jari lintasan elektron yang terbentuk. Selain mencari hubungan medan magnet terhadap lintasan elektron kami juga mecari besar muatan spesifik (e/m) untuk mengetahui sifat-sifat medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan. Kumparan Helmholtz digunakan agar medan magnet yang dihasilkan seragam. kemudian membandingkannya dengan muatan spesifik berdasarkan grafik. Besar error yang kami dapatkan pada percobaan ini adalah berkisar 5 % - 15 %.Kata Kunci : Atom, Lintasan Elektron, Medan Magnet, Gaya Lorentz, Muatan Spesifik

I. Pendahuluan

Perhitungan e/m berawal dari percobaan terkenal yang dilakukan oleh J.J Thomson dimana ia menunjukan bahwa sinar dalam tabung katoda dapat dibelokan oleh medan listrik dan medan magnetik sehingga dapat diketahui bahwa sinar tersebut mengandung partikel-partikel yang bermuatan listrik. Dengan mengukur besarnya penyimpangan partikel sinar yang disebabkan oleh medan listrik dan medan magnetik ini, Thomson dapat menunjukan bahwa semua partikel memiliki perbandingan muatan terhadap massa (e/m) relatif sama. Ia juga menunjukan bahwa partikel dengan perbandingan muatan terhadap massa ini dapat diperoleh dengan menggunakan sembarang bahan untuk katodanya. Partikel yang terkandung dalam sinar ini, sekarang disebut elektron dan merupakan bahan dasar seluruh materi. 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[1]. Yang mendasari percobaan ini adalah untuk mengetahui sifat-sifat medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz sekaligus untuk menentukan nilai e/m elektron. Kumparan Helmholtz digunakan agar medan magnet yang dihasilkan seragam.

II. Tinjauan Pustaka Sebuah partikel bermuatan listrik yang bergerak dalam daerah medan magnet homogen akan mendapatkan gaya. Gaya ini juga dinamakan gaya Lorentz. Gerak partikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Arah gaya Lorentz pada muatan yang bergerak dapat juga ditentukan dengan kaidah tangan kanan dari gaya Lorentz (F) akibat dari arus listrik, I dalam suatu medan magnet B. Ibu jari, menunjukan arah gaya Lorentz . Jari telunjuk, menunjukkan arah medan magnet ( B ). Jari tengah, menunjukkan arah arus listrik ( I ). Untuk muatan positif arah gerak searah dengan arah arus, sedang untuk muatan negatif arah gerak berlawanan dengan arah arus. Jika besar muatan q bergerak dengan kecepatan v, dan I = q/t maka persamaan gaya adalah:

FL = I . . B sin = q/t . . B sin = q . /t . B sin = q . v . B sin .................(2.1)Keterangan: F = Gaya Lorentz (Newton)B = Medan Magnet (Tesla)q = muatan listrik ( Coulomb)v = arah kecepatan muatan (m/t)

Gambar 2.1 Kaidah Tangan Kanan

Bila sebuah partikel bermuatan listrik bergerak tegak lurus dengan medan magnet homogen yang mempengaruhi selama geraknya, maka muatan akan bergerak dengan lintasan berupa lingkaran. Sebuah muatan positif bergerak dalam medan magnet B (dengan arah menembus bidang) secara terus menerus akan membentuk lintasan lingkaran dengan gaya Lorentz yang timbul menuju ke pusat lingkaran. Demikian juga untuk muatan negativ. Persamaan-persamaan yang memenuhi pada muatan yang bergerak dalam medan magnet homogen sedemikian sehinga membentuk lintasan lingkaran adalah : ....................(2.3)Keterangan: R = jari-jari lintasan partikel dalam meter ( m )m = massa partikel dalam kilogram ( kg )v = kecepatan partikel dalam ( m/s )B = kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau T)q = muatan partikel dalam coulomb ( C )

Gambar 2.2 Skema Lintasan Elektron

Jika elektron awalnya diam dan bergerak melalui beda potensial V, energy kinetik elektron ketika memasuki medan magnetik sama dengan kehilangan energi potensialnya : ...........................2.3

........................2.4[2]III. Percobaan

Percobaan dilakukan dengan memberikan arus masukan dan tegangan masukan. Pada percobaan pertama dengan arus masukan tetap akan dilihat bagaimana pengaruh tegangan yang divariasikan. Percobaan selanjutnya dengan tegangan tetap akan dilihat bagaimana pengaruh arus yang divariasikan terhadap diameter lintasan elektron yang terbentuk. Percobaan terakhir adalah melihat arus dan tegangan yang diperlukan untuk mendapatkan diameter lintasan elektron yang tetap. Skema alat percobaan dapat dilihat pada gambar dibawah ini : Gambar 3.1 Skema Alat Percobaan

IV. Data dan Analisis

Percobaan dilakukan dengan menggunakan alat peraga seperti pada subbab tiga. Tabel 4.1 Percobaan Pada Arus Tetap

Tabel 4.2 Percobaan Pada Tegangan Tetap

Tabel 4.3 Percobaan Pada Jari Jari Lintasan Elektron Tetap

Pada Tabel 4.1 terlihat bahwa arus masukan yang diberikan adalah konstan. Tegangan yang divariasikan memberikan pengaruh terhadap jari- jari lintasan elektron yang terbentuk. Dari data Tabel 4.1 jari jari lintasan elektron yang terbentuk semakin besar ketika tegangan masukan semakin besar. Dari Tabel 4.1 dapat kita ketahui bahwa tegangan berbanding lurus dengan jari- jari lintasan elektron yang terbentuk (V r). Medan magnet pada Tabel 4.1 besarnya sama karena pada percobaan ini arus masukan tetap, dan besar medan magnet ditentukan dengan persamaan : B = 0.83 I + 0.046, sehingga besar medan magnet adalah tetap/sama. Besar muatan spesifik (e/m) ditentukan dengan persamaan 2.4 untuk mengetahui pengaruh sifat- sifat medan magnet dan pengaruh tegangan. Karena medan magnet yang ada besarnya sama dan hanya tegangan yang divariasikan maka terlihat pada Tabel 4.1 besarnya e/m semakin besar seiring besarnya tegangan. Muatan spesifik (e/m) juga kami dapat dari grafik yang terbentuk. Bila dibandingkan antara keduanya, besar error yang kami dapat untuk menentukan muatan spesifik ini berkisar 5 % - 7 %.

Pada Tabel 4.2 merupakan kebalikan dari tabel sebelumnya. Pada tabel ini tegangan merupakan parameter yang konstan sedangkan arus divariasikan untuk mengetahui pengaruhnya terhadap jari- jari lintasan elektron yang terbentuk. Pada percobaan ini data yang kami dapatkan arus berbanding terbalik dengan jari jari lintasan elektron. Pada Tabel 4.2 terlihat semakin kecil arus masukan yang diberikan maka jari- jari lintasan elektron yang terbentuk semakin besar. Medan magnet kita ketahui berbanding lurus dengan arus (persamaan induksi magnetik). Selain itu dari persamaan B = 0.83 I + 0.046 dapat kita lihat di tabel bahwa semakin besar arus masukannya maka semakin besar medan magnet. Pengaruh medan magnet terhadap jari jari lintasan dapat kita ketahui pada percobaan ini dimana semakin kecil medan magnet maka semakin besar jari- jari lintasan elektron yang terbentuk (B r). Medan magnet yang besar akan membelokkan elektron dengan kuat sehingga diameter lintasan elektron semakin kecil karena diameter elektron berbanding terbalik dengan medan magnet. Pengaruh medan magnet (B) terhadap muatan spesifik bila dilihat dalam tabel maka dapat kita ketahui semakin besar medan magnet maka semakin kecil muatan spesifiknya ( B e/m). Pada percobaan ini kami mendapatkan besar error dari muatan spesifik berkisar 9 % - 10 %. Besar error ini kami dapatkan dari perbandingan dengan besar muatan spesifik dari grafik. (e/m grafik = 2 at /B).

Pada Tabel 4.3 terlihat bahwa diameter lintasan elektron yang terbentuk sama besarnya. Dengan besar yang sama ini dicari besar arus masukan dan tegangan masukan yang sesuai. Dari data yang kami dapatkan dan dapat dilihat pada Tabel 4.3 jari- jari lintasan elektron yang sama akan terbentuk ketika tegangan semakin diperbesar dan arus diperkecil, atau sebaliknya dengan memperkecil tegangan dan memperbesar arus.

Grafik 4.1 Hubungan V terhadap r pada Arus tetap

Grafik 4.2 Hubungan B terhadap 1/r pada Tegangan tetap

Grafik 4.3 Hubungan Tegangan terhadap Medan Magnet pada Diameter tetap

Titik tertinggi pada Grafik 4.1 menunjukan titik tersebut berada pada (jari- jari) yang besar dan tegangan yang besar. Maka dapat kita lihat dari grafik hubungan tegangan dengan jari- jari lintasan elektron adalah berbanding lurus.

Grafik 4.2 didapat dari percobaan dengan tegangan masukan tetap dan arus yang divariasikan. Karena arus nilainya berbeda maka besar medan magnetnya pun berbeda sehingga Grafik 4.2 adalah untuk mengetahui hubungan medan magnet terhadap jari- jari lintasan elektron yang terbentuk. Dari grafik terlihat semakin besar medan magnet maka semakin besar (1/ jari- jari) lintasan elektronnya. Hal ini menunjukan ketika medan magnet semakin besar maka semakin kecil jari- jari lintasan elektron yang terbentuk.

Grafik 4.3 menunjukan hubungan tegangan dengan medan magnet untuk setiap diameter lintasan elektron yang sama. Dapat kita lihat besar tegangan dengan (medan magnet) adalah berbanding lurus. V. Kesimpulan Lintasan elektron yang berbentuk lingkaran pada alat percobaan untuk menentukan harga muatan spesifik (e/m) dikarenakan adanya perubahan arah dan kecepatan elektron yang bergerak dalam medan magnet. Lintasan yang berbentuk lingkaran tersebut akan berubah menjadi lebih kecil jika tegangan yang diberikan tetap dan arus dinaikan, dan akan berubah menjadi lebih besar jika diberi kuat arus tetap dan tegangan diperbesar. Besar e/m pada arus tetap : 1.59 x 10 11 c/kg

Besar e/m pada tegangan tetap : 2.06 x 10 11 c/kg Besar error yang kami dapatkan dengan membandingkan nilai e/m berdasarkan persamaan 2.4 dengan nilai e/m dari grafik adalah berkisar 5 % - 15 %.Daftar Pustaka[1] Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia[2] Munawaroh, Evi. 2014. Gaya Lorentz. (http://www.slideshare.net/mardianaae/gaya-lorentz). Diakses tanggal 06 November 2014 pukul 19.17 WIB4