milikan punya citra
TRANSCRIPT
Laporan
Praktikum Fisika Modern / Eksperimen Fisika
MUATAN DASAR DAN PERCOBAAN MILLIKAN
Oleh
CITRA WAHYUNI
3215102338
Laboratorium Fisika Modern / Eksperimen Fisika
Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Negeri Jakarta
2011
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Robert A. Milikan (1869 – 1953) melakukan percobaan dengan meneteskan minyak melalui
dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diatur sehingga gaya elektrolistrik mampu
membuat tetes minyak berhenti. Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami
percepatan kebawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan pada saat yang sama gerak tetes
minyak tersebut dihambat oleh gaya stokes. Sehingga akan terjadi keseimbangan gaya – gaya
antara gaya gravitasi dan gaya listrik diantara dua plat konduktor tersebut.
Dalam eksperimen minyak milikan, dibutuhkan Perangkat Millikan, Multi-Range Meter, Dry
cell 1,5 V, Power Supply, teleskop dengan Skala Mikrometer, Stopwatch, Cairan Sillikon, Switch
pengubah, tripod base, kabel-kabel penghubung. Eksperimen ini dimulai dengan
menyemprotkan cairan silikon ke dalam chamber yang telah dibuka setelah terisi pindahkan
pada posisi ionisasi tunggu beberapa detik kemudian pindahkan ke posisi off. Dalam perlakuan
ini, dilakukan pengamatan terhadap tetesan minyak yang telah disemprot tersebut pada
mikroskop. Kemudian dilakukan pengaturan jarak dan waktu yang telah ditentukan baik pada
saat kecepatan naik maupun turun. Dari hal tersebut, kemudian dihubungkan dengan
persamaan yang sudah umum diketahui guna didapatkan nilai muatan elektron dengan
hubungannya pada ketetapan Avogadro.
Eksperimen tetes minyak Milikan merupakan eksperimen dalam menentukan muatan satuan
elektron (e) berdasarkan persamaan Faraday dengan mengetahui sifat diskrit dari muatan
elektron. Mengingat hal tersebut merupakan asas paling fundamental dalam mempelajari
karakteristik atomik maupun kelistrikan secara mikro, maka eksperimen ini dinilai perlu untuk
dilakukan.
B. Identifikasi Masalah
Ada beberapa masalah yang teridentifikasi pada penelitian ini, diantaranya:
1. Bagaimana cara menentukan jari-jari dan muatan pada tetes minyak dengan ukuran dan waktu yang dibutuhkan pada saat keadaan naik dan jatuhnya tetes minyak dengan berbagai jenis muatan sesuai dengan fungsi tegangannya?
2. Bagaimanakah pengaruh kecepatan naik dan kecepatan turun terhadap harga muatan tetes q?
3. Gaya-gaya apa yang mempengaruhi gerak jatuh dan naik butir partikel pada percobaan
Millikan?
C. Pembatasan Masalah
Berapa besar muatan yang dihasilkan dengan menggunakan gliserin dan butir silicon ?
D. Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian di atas, maka masalah pada praktikum ini dirumuskan sebagai;
“Berapa besar muatan parlementer partikel ditentukan dari waktu naik dan jatuh, serta tegangan pada tetesan minyak?”
E. Tujuan Praktikum1. Merekontruksi percobaan yang dilakukan oleh Robert A. Milikan.
2. Memanipulasi model teori yang menjelaskan gejala gerak butir
partikel bermuatan listrik (baik tanpa maupun dengan adanya
pengaruh medan listrik) menjadi suatu model eksperimen.
3. Menerapkan model eksperimen di atas untuk menentukan nilai
muatan listrik keunsuran (e) baik berdasarkan analisis grafis(metoda
listrik sentroid) maupun berdasarkan azas kuadrat terkecil.
4. Memahami keberadaan muatan listrik keunsuran sebagai kuanta
(nilai terkecil) muatan listrik.
F. Manfaat Praktikum1. Akan diketahui nilai satuan muatan electron.
2. Berguna dalam perkembangan lebih lanjut bidang fisika atomik dan kelistrikan dalam
ruang lingkup mikro.
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
Percobaan Millikan atau dikenal pula sebagai percobaan oil drop saat itu dirancang untuk
mengukur muatan listrik elektron. Robert A. Millikan melakukan percobaan tersebut dengan
menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang
berada diantara dua plat elektroda.
Dalam percobaan tetes Millikan, gerakan keceppatan bintik minyak dapat dibuat dalam tiga
keadaan, yaitu gerak ke bawah karena pengaruh gaya berat, gerak ke arah gaya berat dengan
pengaruh gaya berat dan medan magnet, serta gerak berlawanan arah gaya berat dengan pengaruh
medan listrik dan gaya berat.
Keadaan pertama adalah gerak bintik minyak karena pengaruh gaya gravitasi. Pada kondisi ini
bintik minyak bergerak dengan kecepatan konstan. Walaupun dalam kondisi yang sering kita jumpai
di lingkungan kita bahwa berat yang bergerak ke bawah karena pengaruh gravitasi akan bergerak ke
bawah beraturan. Hal ini disebabkan gaya gesek udara sangat kecil dibanding dengan gaya
gesekkanya dapat diabaikan.
Pada percobaan tetes minyak millikan, perbedaan gaya gesekan fluida dalam hal ini udara
dengan bintik minyak sangat mempengaruhi laju bintik minyak tersebut. Hal ini disebabkan oleh sifat
kekentalan (viskositas) fluida tersebut, dalam hal ini adalah udara. Viskositas pada fluida pada
dasarnya merupakan gaya gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida saat lapisan-
lapisan tersebut bergerak.
Secara rinci gaya gesek dalam fluida dijelaskan dalam ”Hukum Stokes’. Sesuai dengan Hukum
Stokes, besar gaya gesekan fluida dirumuskan dengan:
Keterangan: η = viskositas fluida
v = kecepatan
r = radius bintik minyak
F s=6 πηrv
Keterangan :
1) Saklar untuk membuka dan menutup arus pada stopwatch.
2) Saklar untuk menghidupkan dan mematikan tegangan.
3) Potensiometer tegangan searah.
4) Voltmeter.
5) Start / stop.
Gerak ke Bawah Tanpa Pengaruh Medan Listrik
Setelah minyak disemprotkan adanya atmosfer ke dalam ruang antar kedua plat kapasitor,
maka tetesan minyak yang jatuh pada awalnya mengalami percepatan. Karena adanya gaya gesek
yang menghambat gerakan, yaitu viskositas udara, maka pada saat tertentu akan mencapai laju
konstan. Dalam waktu bersamaan mengatur posisi alat source level ke on untuk memberi muatan
pada bintik minyak saat melewati ruang antara plat kapasitor yang telah diberi muatan. Jika bintik
minyak telah tampak dan sudah ada bintik minyak terlewati, maka dipindahkan kembali ke posisi off.
Pada bagian ini bergerak bintik minyak tanpa pengaruh medan listrik, komponen gaya-gaya
bekerja pada bintik minyak seperti gambar di bawah.
FA FS
V1
Fg
Gaya tekan ke atas Archimedes (FA):
Gaya ke bawah:
1. Gaya Gravitasi (Fg)
dimana, ρu = massa jenis udara
ρz = massa jenis butir partikel
Dalam keadaan seimbang (FS1 merupakan fungsi dari v1), maka:
(1)
maka didapatkan persamaan r:
Gerak ke Bawah dengan Pengaruh Medan Listrik
Keadaan gerak minyak dalam pengaruh muatan listrik dapat dilukiskan dengan gambar
berikut:
F A=43πr3 ρu g
Fg=43πr3 ρ z g
Fg=FS+F A
r=√ 9 vη2g ( ρ z− ρu )
FA FC
V2
Fg Fs
dimana, gaya-gaya yang bekerja adalah:
Gaya ke arah atas
- Gaya Coloumb
- Gaya tekan ke atas Archimedes
Gaya ke arah bawah
- Gaya Gravitasi
- Gaya Gerak Stokes (FS)
Bila beda tegangan dan jarak kedua lempeng adalah VAB dan d, maka kuat medan listrik
diantara kedua lempeng tersebut adalah:
FC=qE=qV AB /d
F A=43πr3 ρu g
Fg=43πr3 ρ z g
FS=6 πη rv
(2)
Elektroda lempeng atas
d
Elektroda lempeng bawah
FA FC
Fg
Dalam keadaan seimbang, maka berlaku:
(3)
dimana, di dapat dari substitusi antara 1, 2 ke persamaan 3, maka di dapatkan:
(4)
E=V AB/ d
Fg+FS=FC+F A
q=6 πηr (v2−v1)dV AB
Muatan butir partikel harus merupakan kelipatn dari bilangan utuh (n) terhhadap kuanta
muatan listrik keunsuran (et), q = n.e, et = 1,6x10-19C = nilai teoritis kuanta muatan listrik keunsuran.
Untuk butir dengan ukuran tertentu dan untuk setiap (v1+v2) serta VAB dan d yang tertentu pula.
Untuk mencari nilai muatan elektron (e), menggunakan rumus:
q= n.e
n=qe
Untuk nilai n min=n1: e= 1,5x10-19
Untuk nilai n min=n2:e= 2 x 10-19
dimana: n=12
(n1+n2)
sehingga di dapat nilai muatan elektron : e=qn
BAB III
METODOLOGI PRAKTIKUM
1. Alat dan Bahan
1. Peralatan Milikan
2. Multimeter
3. Baterai
4. Power Supply 600 Vpc
5. Mikrometer (mm-100div)
6. Stopwatch
7. Cairan Silicon f.heat.bath
8. Cover Glass18 x 18 mm
9. Switch Pengubah
10. Tripod base “PASS”
11. Tabung Berdiri
12. Kabel Penghubung Warna Hitam, 250 mm
13. Kabel Penghubung Warna Merah, 750 mm
14. Kabel Penghubung Warna Kuning, 750 mm
15. Kabel Penghubung Warna Hitam, 750 mm
16. Kabel Penghubung , 50 KV, 1000 mm
17. Sumber Radioaktif
18. Circular Level
19. Flexam-kamera video Berwarna
20. Monitor Video
2. Proses/Langkah-langkah Praktikum
- Percobaan Pertama
1. Melihat tetesan minyak yang jatuh bebas dari hasil semprotan pada teleskop tanpa diberikan tegangan terlebih dahulu.
2. Mencatat waktu pada saat keadaan jatuhnya tetes minyak.
- Percobaan Kedua
Melihat tetes minyak yang jatuh tanpa diberi tegangan
Mencatat waktu saat tes minyak jatuh
Mencatat tegangan penghenti saat naik dan jatuhnya tetes minyak
Mencatat waktu naik dan turunnya tetes minyak
1. Melihat jatuhnya tetesan minyak dengan mengatur tegangannya sampai keadaan dimana tetes minyak itu berhenti.
2. Mencatat tegangan penghenti dari tetes minyak pada voltmeter.
- Percobaan Ketiga
1. Melihat keadaan semprotan dari tetes minyak pada saat naik atau jatuhnya tetes minyak dengan diberikan tegangan sebesar 150 Volt.
2. Mencatat waktu pada saat keadaan tetes minyak yang naik pada voltmeter.
3. Metode Pengumpulan Data
1.
2.
3.
3.
4. Data yang terukur
Tabel Pengamatan
s = 0,0005 m
d = 6 mm
Tanpa tegangan; t1 =
t2 =
1. Gliserin
Mengatur tegangan sampai tetes minyak berhenti
Menyusun alat dan menghidupkan sumber tegangannya
Memfokuskan teropong
Menyemprot minyak ke dalam ruang pengamatan
Massa Jenis ρ = 1260 kg/m3
stopping potential; Vs = 45 V
Tegangan t1 (turun) t2 (naik)
2. Silikon
Massa Jenis ρ = 2330 kg/m3
stopping potential; Vs = 40
Tegangan t1 (turun) t2 (naik)
Sumber Data : Multimeter, stopwatch, skala pengukur pada teropong.
5. Teknik Analisa DataKecepatan tetes minyak dapa diukur dengan menggunakan rumus:
v=st
Setelah didapatkan beda potensial, maka jari-jari tets minyak dapat dicari dengan
menggunakan rumus berikut:
dengan, η = 1,86x10-6 kps/m2
g = 9,8 m/s2
ρz = 1260 kg/m3 (gliserin) dan 2330 kg/m3 (silicon)
ρu= massa jenis udara= 1,2 kg/m3
Setelah r didapat, maka besarnya muatan butir suatu partikel dapat dicari dengan menggunakan
rumus:
Untuk mencari nilai muatan elektron (e), menggunakan rumus:
q= n.e
n=qe
Untuk nilai n min=n1: e= 1,5x10-19
Untuk nilai n min=n2:e= 2 x 10-19
dimana: n=12
(n1+n2)
sehingga di dapat nilai muatan elektron : e=qn
r=√ 9 vη2g ( ρ z− ρu )
q=6 πηr (v 1) dV AB
BAB IV
DATA DAN PENGOLAHAN DATA
1. Data yang terukur
s = 10 div
d = 6 mm
Tanpa tegangan; t1 =
t2 =
1. Gliserin
Massa Jenis ρ = 1260 kg/m3
stopping potential; Vs = 45 V
Tegangan t1 (turun) t2 (naik)
47 8,56 8,04
50 11,16 9,52
53 9,19 5,81
55 2,78 5,7
60 2,04 6,39
63 20,23 6,7
65 7,36 5,88
70 2,7 5,55
75 7,6 4,28
80 6,1 4,02
2. Silikon
Massa Jenis ρ = 2330 kg/m3
stopping potential; Vs = 40
Tegangan t1 (turun) t2 (naik)
50 3,24 10,51
55 2,39 13,21
57 4,22 10,04
62 4,97 8,34
65 2,33 4,50
67 15,68 12,36
70 11,13 12,83
73 5,79 5,85
75 6,28 10,54
77 12,36 13,87
2.Pengolahan data / Perhitungan data
η = 0,00000186
d = 0,006 m
a.Silikon
Massa Jenis ρ z= 2330 kg/m3
stopping potential; Vs = 40 V
massa jenis udara ρu = 1,2 kg/m3
v1 (m/s) v2 (m/s)
0.000154321 4.75737E-050.000209205 3.78501E-050.000118483 4.98008E-050.000100604 5.9952E-050.000214592 0.0001111113.18878 x 10-5 4.04531 x 10-5
4.49236 x 10-5 3.89712 x 10-5
8.63558 x 10-5 8.54701 x 10-5
7.96178 x 10-5 4.74383 x 10-5
4.04531 x 10-5 3.6049 x 10-5
r (m) q2.92564 x 10-9 1.64159 x 10-21
3.96615 x 10-9 3.57232 x 10-21
2.24623 x 10-9 8.10935 x 10-22
1.90726 x 10-9 1.60961 x 10-21
4.06828 x 10-9 3.52396 x 10-21
6.04534 x 10-10 2.72176E x 10-23
8.5167 x 10-10 2.66473 x 10-23
1.63715 x 10-9 7.62184 x 10-24
1.50941 x 10-9 2.55312 x 10-22
7.66917 x 10-10 1.77536 x 10-23
9 v2 2g(ρz-ρu)3.98663 x10-13 465767.32655 x 10-13 465762.35001 x 10-13 465761.69427 x 10-13 465767.70874 x 10-13 465761.70217 x 10-13 465763.37835 x 10-13 465761.24836 x 10-13 465761.06115 x 10-13 465762.73942 x 10-13 46576
q/ e min q/e maxn=1/2(n1+n2) n e
1.094 x 10-2 0.008208 9.576 x 10-3 0.01 1.64 x 10-19
2.382 x 10-2 0.017862 2.084 x 10-2 0.02 1.79 x 10-19
5.406 x 10-3 0.004055 4.730 x 10-3 0.005 1.62 x 10-19
1.073 x 10-2 0.008048 9.389 x 10-3 0.01 1.61 x 10-19
2.349 x 10-2 0.01762 2.056 x 10-2 0.02 1.76 x 10-19
1.815 x 10-4 0.000136 1.588 x 10-4 0.00016 1.70 x 10-19
1.776 x 10-4 0.000133 1.554 x 10-4 0.00016 1.67 x 10-19
5.081 x 10-5 3.81 x 10-5 4.446 x 10-5 0.000045 1.69 x 10-19
1.702 x 10-3 0.001277 1.489 x 10-3 0.0015 1.70 x 10-19
1.184 x 10-4 8.88 x 10-5 1.036 x 10-4 0.0001 1.78 x 10-19
b. Gliserin
Massa Jenis ρ z= 1260 kg/m3
stopping potential; Vs = 45 V
massa jenis udara ρu = 1,2 kg/m3
9 v2
2g(z-u)
5.71147 x 10-14 251763.36022 x 10-14 251764.95524 x 10-14 251765.41509 x 10-13 251761.00562 x 10-12 251761.0226 x 10-14 25176
7.72574 x 10-14 251765.74074 x 10-13 251767.2455 x 10-14 251761.1247 x 10-13 25176
r (m) q1.50619 x 10-9 2.65862 x 10-23
1.15529 x 10-9 4.16616 x 10-23
1.40294E x 10-9 2.07475 x 10-22
4.63777 x 10-9 1.99653 x 10-21
6.3201 x 10-9 4.92703 x 10-21
6.37321 x 10-9 1.48624 x 10-22
1.75177 x 10-9 1.39954 x 10-22
4.77519 x 10-9 2.12169 x 10-21
v1 (m/s) v2 (m/s)
5.84112 x 10-5 6.21891 x 10-5
4.48029 x 10-5 5.2521 x 10-5
5.4407 x 10-5 8.60585 x 10-5
0.000179856 8.77193 x 10-5
0.000245098 7.82473 x 10-5
2.47158 x 10-5 7.46269 x 10-5
6.79348 x 10-5 8.5034 x 10-5
0.000185185 9.009016.57895 x 10-5 0.0001168228.19672 x 10-5 0.000124378
1.69645 x 10-9 4.04505 x 10-22
2.11361 x 10-9 4.18827 x 10-22
q/ e min q/e max n=1/2(n1+n2) n e
0.0001772 0.000133 0.000155086 0.00016 1.66164 x 10-19
0.0002777 0.000208 0.000243026 0.00024 1.7359 x 10-19
0.0013832 0.001037 0.001210273 0.0012 1.72896 x 10-19
0.0133102 0.009983 0.011646412 0.012 1.66377 x 10-19
0.0328469 0.024635 0.028740996 0.03 1.64234 x 10-19
0.0009908 0.000743 0.000866972 0.00087 1.70832 x 10-19
0.000933 0.0007 0.000816399 0.00082 1.70676 x 10-19
0.0141446 0.010608 0.012376507 0.0124 1.71104 x 10-19
0.0026967 0.002023 0.002359614 0.0024 1.68544 x 10-19
0.0027922 0.002094 0.002443157 0.0024 1.74511 x 10-19
e1.64 x 10-19
1.79 x 10-19
1.62 x 10-19
1.61 x 10-19
1.76 x 10-19
1.70 x 10-19
1.67 x 10-19
1.69 x 10-19
1.70 x 10-19
1.78 x 10-19
1.66 x 10-19
1.74 x 10-19
1.73 x 10-19
1.66 x 10-19
1.64 x 10-19
1.71 x 10-19
1.71 x 10-19
1.71 x 10-19
1.69 x 10-19
1.75 x 10-19
Jumlah 3.39 x 10-18
Rata-rata 1.70 x 10-19
3. Grafik data utamaa. Silikon
60 55 57 62 65 67 70 73 75 770
0.000050.0001
0.000150.0002
0.00025
Grafik Hubungan Antara Tegangan (V) dengan Kecepatan Partikel silikon (v)
v1 (m/s)v2 (m/s)
Tegangan V (volt)
kece
pata
n v
( m/s
)
b. Gliserin
47 50 53 55 60 63 65 70 75 800
0.00005
0.0001
0.00015
0.0002
0.00025
0.0003
Series1Series2
4. Analisis dan perbandingan teori
Percobaan Millikan ini dilakukan dengan cara menyemprotkan cairan ke lubang chamber. Cairan yang digunakan ada dua, yaitu gliserin dan silicon. Setelah disemprotkan, akan terlihat partikel-partikel melalui teleskop, lalu mengamati partikel-partikel tersebut.
Pada pengambilan data pertama, praktikan mengamati partikel melalui teleskop dengan mengubah tegangan hingga mencapai tegangan tertentu ketika partikel tersebut tidak bergerak lagi/diam (Vs). Pada cairan gliserin, potensial penghentinya sebesar Vs = 45 volt, sedangkan pada silicon sebesar Vs = 40 volt. Gerakan partikel berhenti karena gaya ke atas yang dimiliki partikel tersebut sama dengan gaya yang ke arah bawah.
FA
v
Fg
Pada pengambilan data kedua, praktikan mengamati gerakkan butir partikel (pada partikel yang sama) melalui teleskop bersamaan dengan memberi tegangan yang berubah-ubah. Tegangan yang diberikan harus lebih besar dibandingkan tegangan potensialnya. Ketika diberi tegangan, partikel bergerak ke arah bawah (arah sebenarnya ke atas). Hal ini terjadi karena terdapat Gaya Coloumb (FC).
FA FC
Fg
Pada pengambilan data ketiga, praktikan mengamati partikel (masih partikel yang sama) melalui teleskop. Pengamatan ini dilakukan tanpa memberikan tegangan terhadap partikel, dan gerak pasrtikel terlihat naik ke atas ( sebenarnya turun ke ba.wah).
Dari data yang diperoleh didapatkan bahwa semakin besar tegangan yang diberikan, maka waktu yang diperlukan partikel untuk bergerak jatuh ke atas (pada teleskop terlihat ke arah bawah) lebih lama karena terdapat gaya ke atas dari tegangan. Semakin banyak jumlah muatan yang terdapat pada partikel, semakin besar pula tegangan yang dibutuhkan untuk memberhentikan partikel. Berdasarkan percobaan, semakin besar tegangan yang diberikan, semakin cepat pula waktu yang dibutuhkan partikel untuk bergerak ke bawah (pada teleskop ke arah atas).
Hasil yang didapatkan pada percobaan tidak sesuai dengan hasil percobaan yang dilakukan oleh Robert A. Millikan. Hasil yang didapatkan bukan e = 1,6x10 -19 C. Hal ini disebabkan oleh beberapa faktor, diantaranya:
Ketidaktelitian praktikan pada saat mengamati waktu gerak partikel saat naik dan turun.
Kesalahan pada saat melakukan pengolahan dan perhitungan data yang didapat.
Pembacaan skala pada ruang pengamatan yang kurang teliti.
BAB V
KESIMPULAN
1. Muatan tetes minyak merupakan kelipatan dari nilai tertentu (bersifat diskrit). Nilai tertentu ini disebut nilai elementer
2. Semakin besar tegangan, semakin lama pula waktu yang dibutuhkan partikel untuk jatuh ke bawah (melalui teleskop) karena ada gaya ke atas yang diberikan oleh tegangan.
3. Partikel yang diberi tegangan akan bergerak ke arah atas karena pengaruh Gaya Couloumb.
4. Semakin besar tegangan yang diberikan, semakin cepat pula gerakkan partikel ke arah atas (melalui teleskop).
5. Potensial penghenti adalah besar potensial pada saat partikel tidak bergerak lagi.
6. Partikel hasil semprotan jatuh pada daerah yang ada medan listrik, maka partikel akan tertarik ke arah kutub yang berlawanan dengan muatan.
7. Partikel yang tidak diberi tegangan akan bergerak jatuh ke bawah karena pengaruh gaya gravitasi dan gaya berat.
8. Tetesan minyak mendapat muatan saat bergesekan dengan atomizer.
9. Partikel berhenti karena gaya ke atas sama dengnan gaya partikel ke arah bawah.
10. Muatan bersifat diskrit apabila q kelipatan dari e.
DAFTAR PUSTAKA
Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga
Halliday, David. 1999. Fisika Edisi Ketiga Jilid 2. Jakarta: Erlangga
Krane, Kenneth. 1992. Fisika Modern. Jakarta: UI-Press
Sears, Zemansky. 1962. Fisika Universitas Jilid 2. Bandung: Bina Cipta
Tim Dosen Fisika Modern. 2011. Modul Praktikan Fisika Modern. Jakarta: UNJ