Tetes minyak milikan

2Authors name[Tetes minyak milikan]March 18, 2014

MENENTUKAN JARI-JARI DAN MUATAN LISTRIK ELEKTRON DARI EKSPERIMEN TETES MINYAK MILIKANVina Puji Lestari1, Faridhatul Khasanah2, Ihfadni Nazwa3, Imroatul Maghfiroh4,Yousida Hariyani5

Laboratorium Fisika Radiasi, Departement Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga Jalan Mulyorejo,Surabayaemail: vina_pujilestari@yahoo.com

Abstrak

Dari eksperimen kali ini, dilakukan suatu pengukuran muatan listrik melalui tetes minyak yang disebut dengan tetes minyak milikan.Adapun tujuan dari percobaan ini adalah untuk menentukan jari-jari dan muatan listrik elektron suatu minyak milikan serta membuktikan bahwa muatan listrik terkuantisasi secara diskret.Adapun peralatan yang disusun dalam eksperimen ini adalah sistem peralatan yang dahulu diperkenalkan oleh R.A Milikan pada tahun 1913.Dengan eksperimennya,beliau dapat membuktikan dengan tepat suatu muatan elektron.Metode yang digunakan dalam eksperimen ini adalah dengan cara metode kesetimbangan dan dinamis. Eksperimen ini dilakukan dengan prinsip menyemprotkan minyak ke dalam tabung melingkar yang terdiri atas dua keping sejajar yang telah diberi suatu tegangan listrik.Cahaya diatur agar ruang pengamatan yang dilihat melalui mikroskop mendapatkan cahaya.Selanjutnya,ditentukan tetesan minyak yang akan dijadikan objek dan mencatat waktu yang dibutuhkan butiran minyak untuk naik dan turun dengan skala yang ditentukan serta tegangan yang diperlukan untuk turun pada skala tersebut. Dari hasil pengamatan metode kesetimbangan,diperoleh nilai muatan listrik elektron yakni 5,489 x 1019 C,sedangkan dengan metode dinamis yakni 0,535 x 1019 C .Dari hasil tersebut,muatan elektron bersifat diskret yang merupakan kelipatan bilangan bulat muatan dasar elektron (1,6 x Keywords: minyak milikan,muatan listrik elektronPendahuluanPada tahun 1913,seorang ilmuwan bernama Robert Andrews Milikan mendapatkan jawaban atas eksperimennya.Percobaan yang dilakukannya dikenal dengan nama oil drop atau tetes minyak milikan.Selama kurang lebih tujuh tahun Milikan melakukan percobaan tetes minyak karena ingin mengetahui seberapa besar muatan listrik yang ada pada sebuah elektron.Dalam eksperimennya,beliau mengamati beribu-ribu tetes minyak dan mengamatinya pada ruang pengamatan yang dipengaruhi medan listrik homogen dari plat kapasitor.Muatan listrik adalah muatan sebuah elektron sebagai muatan elementer. R.A Milikan melakukan percobaan dengan meneteskan minyak melelui dua plat logam dengan beda potensial yang diatur agar gaya elektrostatis mampu menghentikan tetes minyak.Pada eksperimen tersebut,jatuhan minyak akan mengalami percepatan kebawah oleh karena adanya gaya gravitasi.Sedangkan ketika gerak tersebut dipengaruhi oleh beda potensial maka akan menghambat gaya gravitasi sehingga terjadi gaya stokes yang disebabkan nilai viskositas yang dimilki fluida.Dalam hal ini,gerak muatan elektron dipengaruhi oleh gaya gravitasi,gaya Archimedes dan gaya Stokes.Gaya Stokes adalah gaya yang melawan gaya gravitasi atau gaya penghambat dan erat hubungannya dengan viskositas fluida (kekentalan).Gaya gravitasi adalah gaya gerak ke arah bumi dan gaya Archimedes adalah gaya gerak ke atas.Gaya penghambat yang terjadi merupakan keseimbangan gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik antara kedua plat konduktor.Dari pengamatannya,beliau memberikan bukti yang kuat bahwa elektron terkecil memiliki ukuran yang sama.Dan dari eksperimennya ini,R.A. Milikan memenangkan penghargaan Nobel dalam Fisika pada tahun 1923 karena isolasi dan pengukuran muatan elektron.

Dasar TeoriUntuk dapat mengukur muatan elektron,digunakan eksperimen yang disebut tetes minyak milikan.Tetes minyak milikan merupakan eksperimen yang menunjukkan bahwa muatan elektron bermuatan diskret yang artinya gaya ke bawah dan pada tetes minyak milikan (percepatan ke bawah) akan terhambat oleh gaya Stokes.Menurut stokes, bila sebuah benda dilepaskan tanpa kecepatan awal di dalam fluida, benda mula-mula akan mendapatkan kecepatan. Eksperimen tetes minyak milikan ini pertama kali diperkenalkan oleh Robert Andrews Milikan tahun 1913. Beliau melakukan penelitian dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi,gaya Archimedes,dan gaya Stokes pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua keping plat sejajar.Dengan mengetahui medan listriknya,maka muatan yang jatuh pada tetes minyak dapat diketahui.Pada prinsipnya,percobaan ini terdiri dari dua plat logam yang disusun horizontal yang kemudian disemprot dengan minyak pada lubang kecil diantara kedua plat. Cahaya dan teleskop diatur agar cahaya yang dipantulkan oleh butiran minyak dapat diterima oleh teleskop.Butiran minyak ini seolah-olah bergerak keatas pada saat diamati,padahal yang sebenarnya terjadi butiran minyak ini bergerak ke bawah karena pengaruh gaya gravitasi.Gerak ke bawah butiran minyak disebabkan karena belum adanya beda potensial atau tegangan yang mempengaruhi tetesan minyak.Pada kedua plat,jika plat atas diberi potensial positif dan plat bawah diberi potensial negatif maka diantar plat tersebut akan timbul medan listrik yang homogen.Dengan mengatur beda potensial antar plat,dapat diamati butiran minyak tersebut tetap diam.Pada keadaan ini berlaku kesetimbangan gaya berat,gaya apung (Archimedes),dan gaya listrik. Dari ketiga gaya ini,dapat dituliskan persamaan untuk menentukan muatan elektron (q),yaitu:

Keadaan PertamaMedan listrik E dianggap tidak ada diantara dua keping sejajar.Tetes minyak jatuh dan melalui keping bawah disebabkan pengaruh gaya gravitasi dan diperlambat oleh gaya Stokes dan Archimedes.Dan gaya yang bekerja adalah:1. Gaya gravitasi: (1) 2. Gaya Archimedes: (2)3. Gaya Stokes: (3)

Keterangan:

Resultan gaya yang terjadi pada tetesan minyak adalah:(4)Jika maka persamaan menjadi: (5)Bila ,maka resultan gaya tetes minyak adalah:(6)Atau (7) Keadaan KeduaPlat sejajar dialiri medan listrik sehingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan Jika tegangan antar plat adalah U dan jarak d, maka E= U/d dengan gaya yang bekerja adalah: (8)Atau(9)Untuk tetes minyak yang melayang antara plat sejajar dan dipengaruhi medan listrik E,maka:(10)Dari persamaan diatas,terdapat dua metode untuk menentukan muatan elektron:1. Mengukur kecepatan jatuh bebas sebelum diberikan medan listrik dan mengukur sehingga tetes minyak diam diantara dua plat.Sehingga dapat disubtitusikan ke persamaan (7) dan (10),maka:dengan d=6 mm(11)2. Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak milikan dalam ruang bebas medan listrik dan kecepatan naik pada tegangan tentu .Dengan subtitusi persamaan (7) dan (9) diperoleh: (12)Dalam meningkatkan kedekatan nilai terukur dengan referensi dalam percobaan Milikan, digunakan faktor koreksi Cunningham sebagai berikut : Andaikan muatan terkoreksi qC dan tekanan udara p (mbar), maka koreksi persamaan pada metode 1 dan 2 dapat diberikan dalam :(13)dimana b adalah suatu konstanta yang diperoleh dari solusi grafis 6,13 x 10-6 cmHg.mNilai q yang telah didapt diatas,selanjutnya digunakan untuk menentukan banyaknya butiran dengan: (14)Metode EksperimenAlatDalam eksperimen ini diperlukan peralatan,yakni:

1. Peralatan Milikan (Leybold 55941)2. Power Supply3. Minyak Pengisi4. Pengukur waktu (stopwatch)5. Kabel penghubung

Prosedur EksperimenAdapun prosedur yang dilakukan dalam eksperimen ini adalah:

1. Mengatur alat dan mengatur sumber tegangan2. Menyemprotkan minyak ke dalam platbsejajar dengan memompa sehingga minyak dapat melalui celah kecil. 3. Mengatur posisi teropong untuk mengamati dengan jelas tetesan minyak4. Mengamati 1 dari banyaknya minyak yang disemprotkan.Kemudian menentukan waktu (Ta=naik ; Tb=turun) yang dibutuhkan serta kecepatan tetesan tersebut ketika naik dan turun.5. Data yang diperlukan selanjutnya,adalah mengalirkan tegangan listrik pada dua plat sejajar sehingga dihasilkan medan listrik yang menahan minyak agar posisinya diam.6. Saat posisi tetesan diam,amati berapa tegangan (U1) yang tercatat pada voltmeter.7. Kemudian untuk mengukur diameter dan muatan listrik tetesan minyak dilakukan dengan memperbesar tegangan listriknya sehingga tetes minyak bergerak berlawanan arah gravitasi.8. Catat waktu yang dibutuhkan tetes minyak (U2).9. Ulangi percobaan tersebut untuk butiran tetes minyak yang lain.

Data Hasil Eksperimen

Tabel Data 1

Tetes minyak ke : 1

Jumlah skala (x) : 10 skala = 5.33 x 10-4 m

NoWaktu (sekon)Tegangan (volt)

Naik (Ta)Turun (Tb)Tetes Minyak Diam (U1)Tetes Minyak akibat M.Listrik(U2)

Loop-100:00:04:0500:00:03:01300600

Loop-200:00:04:0000:00:04:05350600

Loop-300:00:04:1000:00:03:20190600

Tabel Data 2

Tetes minyak ke : 2

Jumlah skala (x) : 10 skala = 5.33 x 10-4 m

NoWaktu (sekon)Tegangan (volt)

Naik (Ta)Turun (Tb)Tetes Minyak Diam (U1)Tetes Minyak akibat M.Listrik (U2)

Loop-100:00:09:3100:00:09:31320600

Loop-200:00:07:0200:00:08:95230600

Loop-300:00:08:2800:00:08:28360600

PembahasanTetes minyak milikan merupakan eksperimen yang dilakukan dalam menunjukkan bahwa muatan elektron bersifat diskret (gaya ke bawah) dan tetes minyak akan terhambat oleh gaya Stokes.Tujuan dilakukannya eskperimen ini adalah untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan menentukan nilai muatan listrik elektron.Pada prinsipnya,ketika minyak disemprotkan maka butiran minyak bergerak menumbuk partikel cahaya yang kemudian menyebabkan elektron memiliki energi yang diperoleh dari foton cahaya tersebut.Butiran-butiran minyak akan bergerak turun karena adanya pengaruh gaya gravitasi dan setelah diberikan tegangan,butiran minyak tersebut akan bergerak naik disebabkan oleh gaya luar berupa medan listrik yang sangat kuat sehingga nilainya akan lebih besar dari gaya gravitasi.Pada eksperimen ini,teleskop bersifat nyata,terbalik dan diperbesar sehingga bayangan yang terbentuk pada lensa okuler seakan-akan butiran minyak tersebut mengarah ke atas saat dalam pengaruh gaya gravitasi padahal kenyataannya pergerakan butiran minyak tersebut mengarah ke bawah. Dan sebaliknya,ketika diberikan suatu tegangan, seolah-olah pergerakan butiran minyak tersebut mengarah ke bawah,sebenarnya butiran tersebut bergerak ke atas karena kuatnya medan listrik yang menarik butiran tersebut ke atas.Pada prosesnya,ketika butiran minyak bergerak ke atas dan mencapai batas garis atas untuk membelokkan pergerakan minyak,maka diputar tombol untuk memeberikan tegangan diantara kedua plat sehingga timbul medan listrik yang dapat membelokkan pergerakan butiran minyak dari batas atas menuju batas bawah.Data yang tercatat adalah pergerakan dari tetesan minyak dalam skala tertentu dengan mencatat lama waktu yang dibutuhkan agar dapat menentukan kecepatan (v1) butiran minyak.Dari hasil analisis terlampir,diketahui kecepatan tetes minyak adalah (0,870,094) 10-4 m/s.Dari diketahuinya kecepatan,dapat ditentukan besar jari-jari tetes minyak yakni (0,900,149) 10-6 m. Eksperimen dilanjutkan dengan mengalirkan arus listrik antara kedua plat hingga dapat diamati tetesan minyak tersebut diam dan yang berperan pada kasus ini adalah hukum kesetimbangan yakni tetesan minyak akan mengalami gaya gravitasi dan gaya listrik yang arahnya berlawanan. Dari hukum kesetimbangan ini,dapat digunakan untuk menentukan besar muatan listrik butiran minyak. Dan adapun hasil perhitungan muatan listrik adalah 5,489 x 10-19 C dan bersifat diskret karena merupakan kelipatan bilangan bulat muatan e = 1,6 x 10-19 C dan hasil analisis menyatakan kelipatan bilangan bulat n 3 .Selanjutnya,aliran listrik pada plat tersebut diperbesar dan hingga tetes minyak bergerak melawan gaya gravitasi dan kecepatan tetes minyak (v2) sebesar (0,869 0,043) 10-4 m/s. Dengan diketahuinya bahwa prinsip ini merupakan jumlah dari gaya gravitasi dan gaya Stokes maka dapat ditentukan besar muatan listrik yaitu 0,535 x 10-19 C. dan diketahui besar muatan listrik adalah kelipatan bilangan bulat n .Dari hasil analisis tersebut menunjukkan bahwa semakin besar tegangan yang diberikan maka akan semakin besar pula muatan listriknya.Presentase kesalahan ketika dibandingkan dengan referensi memberikan hasil sebesar 0,10 % dan 0,04 %Presentase kesalahan tersebut menunjukkan bahwa hasil eksperimen berbeda dengan referensi (1,6 x 10-19 C) dan ini dapat disebabkan oleh:1. Pengamatan tetes minyak yang kurang teliti.2. Fokus mata yang mulai berkurang setelah beberapa waktu pengamatan3. Pengukuran waktu dalam menekan tombol stopwatch saat start dan stop yang kurang tepat4. Pembacaan tegangan yang kurang teliti5. Adanya human dan analisis error yang sangat mempengaruhi hasil eksperimen.Tugas Akhir1. Jari-jari tetes minyak yang diperoleh pada eksperimen ini adalah sebesar (0,90 dan (0,9072. Muatan listrik pada tetes minyak dengan metode 1 = 5,489 Muatan listrik pada tetes minyak dengan metode 2 = 0,535Elektron yang terdapat dalam masing-masing minyak adalah = 1,6003 C dan 1,6027 CPerbandingan dengan referensi menghasilkan persentase kesalahan sebesar =0,10 %Perbandingan dengan referensi menghasilkan persentase kesalahan sebesar =0,04 %Kesimpulan1. Muatan listrik yang terkuantisasi pada eksperimen ini bersifat diskret,karena merupakan bilangan bulat elektron dasar (e = 1,6 x 10-19 C) dengan n 3 dan n 02. Jari-jari muatan dari hasil analisis data memberikan hasil sebesar (0,90 dan (0,9073. Muatan listrik minyak adalah 5,489 dan 0,535SaranDiharapkan pengukuran beulang untuk kedepannya agar hasil yang diperoleh lebih akurat dan meningkatkan akurasi nilai yang teramati dengan referensi yang ada.Daftar Pustaka

Alonso m. Finn. 1992. Dasar-Dasar Fisika Universitas Edisi Kedua. Jakarta: ErlanggaGiancoli, Douglas C.2001. Fisika Jilid 2. Jakarta: Penerbit Erlangga.Krane,Kenneth S. 1992. Fisika Modern. Alih bahasa: Hans J.Wospakrik dan Sofia Niksolihin, Jakarta: Penerbit Universitas Indonesia

Lampiran Lampiran 1 (Analisis Data)

Nilai Rata-Rata dari Data Pengamatan

PengukuranWaktu (sekon)Tegangan (volt)

t Naik (s)t Turun (s)U1U2

Loop-16.96.16310600

Loop-25.316.5290600

Loop-36.195.75275600

Rata-rata6.136.136291.6600

Analisis Data Metode KesetimbanganPengukuranx (Jumlah skala)t (waktu) (s)x2t2

Loop-1106.910047.61

Loop-2105.3110028.19

Loop-3106.1910038.31

Jumlah3018.4300114.11

Rata-rata106.1310038.03

1). Menentukan Kecepatan Tetes Minyak

Jadi jumlah skala adalah (10 0)

Jadi waktu yang diperlukan adalah Kecepatan tetes minyak (v1) adalah: ,Dengan s =

m/sJadi kecepatan tetes minyak adalah (0,87 m/s2). Menentukan Jari-jari Tetes Minyak

m

mJari -jari tetes minyak adalah = (0,90 m3). Menentukan Nilai Muatan Listrik Elektron

) )

Nilai muatan elektron adalah (5,489 Muatan listrik merupakaan dikret (terkuantisasi),yakni kelipatan bilangan bulat dari muatan dasare = yang dirumuskan dengan:

Analisis Data Metode KesetimbanganPengukuranx (Jumlah skala)t (waktu) (s)x2t2

Loop-1106.1610047.61

Loop-2106.5010028.19

Loop-3105.7510038.31

Jumlah3018.408300113.25

Rata-rata106.13610037.75

1). Menentukan Kecepatan Tetes Minyak

Jadi jumlah skala adalah (10 0)

Jadi waktu yang diperlukan adalah Kecepatan tetes minyak (v1) adalah: ,Dengan s =

m/sJadi kecepatan tetes minyak adalah (0,869 m/s2). Menentukan Jari-jari Tetes Minyak

m

mJari -jari tetes minyak adalah = (0,907 m3). Menentukan Nilai Muatan Listrik Elektron

Nilai muatan elektron adalah (Muatan listrik merupakaan dikret (terkuantisasi),yakni kelipatan bilangan bulat dari muatan dasare = yang dirumuskan dengan:

Hasil perolehan analisis diatas kemudian dikoreksi dengan koreksi Cunningham,dengan persamaan

Maka: Metode Kesetimbangan

Metode Dinamis

Untuk menghitung jumlah muatan elektron pada tetes minyak (N): Maka akan diperoleh