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.