LINTASAN ELEKTRON DALAM MEDAN MAGNET

Rara Amita Putri (140310120042)

Program Studi Fisika, FMIPA Universitas Padjadjaran

4 November 2014

Asisten : Hanif Sulistya Nusa

Abstrak Atom adalah benda yang amat menarik untuk diteliti. Dari atom yang sempat dinyatakan sebagai bagian

terkecil dari suatu benda ternyata menyimpan bahwa di dalamnya masih terdiri dari muatan – muatan yang

berbeda. Salah satu diantaranya adalah elektron yang mempunyai muatan negatif. Muatan negatif elektron

setelah dibandingkan akan menghasilkan suatu muatan spesifik yang memiliki karakteristik dalam setiap atom

tersebut.

Percobaan dengan tujuan menentukan muatan spesifik dari hasil defleksi ini menunjukkan hubungan

linieritas dari setiap eksperimen yang dilakukan. Dari hasil perhitungan yang dilakukan diperoleh nilai e/m

yang jika dibandingkan dengan e/m grafik memperoleh nilai KSR. Misalnya saja KSR data eksperimen

keempat yaitu sebesar 2,32%.

I. Pendahuluan

Atom yang bermuatan netral ternyata

mengandung elektron yang bermuatan negatif.

Hal ini telah ditelusuri sejak berabad – abad

tahun yang lalu oleh para ilmuwan di

zamannya. Adanya muatan negatif ini

mengakibatkan terjadinya arus yang akan

mengakibatkan adanya medanmagnet dalam

kumparan Helmholtz. Percobaan ini telah

ditelusurioleh J. J. Thompson yang ingin

membuktikan apakah terdapat partikel lain

yang menyusun sebuah taom yang disebut

dengan elektron saat itu serta ingin

membandingkan muatan dengan massa

elektron tersebut. Dalam praktikum ini kita

akan mengulang kembali apa yang pernah

dilakukan oleh Thompson mengenai muatan

spesifik e/m melalui defleksi sinar katoda.

Sesuai dengan tujuan utama dalam praktikum

ini yaitu menghitung muatan spesifik e/m

melalui defleksi sinar elektron oleh medan

magnetik homogen.

II. Teori Dasar

Gaya Lorentz

Gambar 1. Elektron bergerak dalam suatu

medan B

Pada gambar 1 di atas menunjukkan

bahwa elektron yang bergerak dalam suatu

medan magnet akan dipengaruhi oleh medan

magnet tersebut sehingga akan membentuk

suatu lintasan melingkar. Selain itu, elektron

tersebut akan mendapat gaya yang disebut

dengan Gaya Lorentz sebesar :

𝐹𝐿 = 𝑒𝐵𝑣 …………….(1)

Dimana FL adalah gaya Lorentz, e

adalah muatan elektron yang bergerak, B

adalah besar medan magnet dan v adalah

besarnya kecepatan elektron tersebut bergerak.

Karena Gaya Lorentz selalu tegak lurus orbit

lingkaran, gaya Lorentz adalah gaya

sentripetal yang membuat elektron terus

bergerak dalam orbit lingkaran.[1]

𝐹𝐿 = 𝐹𝑠𝑒𝑛𝑡𝑟𝑖𝑝𝑒𝑡𝑎𝑙

𝑒𝐵𝑣 =𝑚𝑣

𝑟2 ………..…(2)

Elektron dalam Medan Homogen

Untuk memperoleh suatu medan yang

homogeny digunakan suatu kumparan yang

disebut kumparan Helmholtz. Kumparan ini

digunakan untuk menghilangkan medan

magnetic bumi dan untuk memberikan medan

magnet yang konstan dalam ruang sempit dan

terbatas. Elektron yang dihasilkan oleh

filament yang berfungsi sebagai katoda akan

dipercepat kea rah anoda yang mempunyai

beda potensial V terhadap katoda. Dari prinsip

kekekalan energy, jika tidak ada usaha yang

dikenakan pada elektron, maka elektron

tersebut akan mempunyai energy kinetic

akibat tegangan V yang besarnya :

1

2𝑚𝑣2 = 𝑒𝑉 …………..(3)

Persamaan 3 di atas disebut rumus

siklotron karena persamaan tersebut

menggambarkan gerak partikel di salam

sebuah siklotron (alat pemercepat partikel).[2]

Sehingga kecepatan elektron dapat ditulis

sebagai :

𝑣 = √2𝑒𝑉

𝑚 …………(4)

Karena elektron bekerja dalam medan

magnet maka berlaku Gaya Lorentz. Sehingga

dengan penurunan dari persamaan 2 dan 4

diperoleh 𝑒

𝑚=

2𝑉

(𝐵𝑟)2 …………….(5)

III. Percobaan

Alat dan Bahan

Gambar 2. Skema Alat Percobaan

Keterangan Gambar:

1. Controllable Current Source

2. Skema Fine Beam Tube

3. Skema Kumparan

4. Stabilis Power Supply

Metode Eksperimen

Dalam percobaan ada 4 percobaan yang

dilakukan. Namun pada eksperimen pertama

sebagai kalibrasi langsung digunakan

persamaan :

B = 0.8329 I + 0.0416 mT ……………..(6)

Eksperimen yang kedua adalah

pengamatan jari – jari lintasan elektron

sebagai fungsi dari tegangan r = f(V) pada

arus konstan. Dalam eksperimen ini data

yang diambil adalah data diameter

lintasan elektron. Sedangkan arus dibuat

konstan (variasi 2,8A; 2,9A; 3A) dengan 5

variasi tegangan (50V, 75V, 100V, 125V,

150V).

Eksperimen yang ketiga adalah

pengamatan jari – jari lintasan elektron

sebagai fungsi dari medan magnet r = f(B)

pada tegangan konstan. Data yang diambil

sama dengan eksperimen kedua yaitu

diameter lintasan elektron. Yang

membedakan adalah pada eksperimen ini

tegangan dibuat konstan (variasi 100V,

125V, 150V) dengan 5 variasi arus yang

berbeda (3A; 3,3A; 3,6A; 3,9A; 4,2A).

Pada eksperimen yang keempat hampir

sama dengan kedua metode sebelumnya

hanya pada eksperimen ini yang dibuat

konstan adalah diameternya (variasi 6cm,

8cm, 10cm) sedangkan arus dan tegangan

harus dicari (rentang tegangan 200 – 300

V).

IV. Data dan Analisis

Data Percobaan

Tabel 1. Data Eksperimen dengan Arus

Konstan

I (A) (𝑒

𝑚)𝑝𝑒𝑟

(𝑒

𝑚)𝑔𝑟𝑎𝑓

KSR

(%)

2.8

~

11977.251

~

90052.937 651.87

24807.972 107.13

20372.086 70.09

20011.764 67.08

2.9

~

11742.069

~

100427.954 755.28

23739.202 102.17

18991.362 61.74

20985.251 78.72

3

~

12153.352

~

106774.131 778.56

21610.551 77.82

21655.110 78.18

20854.323 71.59

Grafik 1

y = 32572x + 55.696R² = 0.9723y = 34254x + 56.11

R² = 0.9455

y = 37941x + 55.532R² = 0.9458

0

50

100

150

200

0 0.001 0.002 0.003

V(V

olt

)

r2(m2)

Grafik V=f(r2)

Tabel 2. Data Eksperimen dengan Tegangan

Konstan

V

(Volt) (𝑒

𝑚)𝑝𝑒𝑟

(𝑒

𝑚)𝑔𝑟𝑎𝑓

KSR

(%)

100

20530.197

25974.03

20.96

21610.617 16.80

22418.477 13.69

22537.614 13.23

23272.531 10.40

125

20219.820

19841.27

1.91

22325.017 12.52

18759.263 5.45

20495.387 3.30

19950.116 0.55

150

21295.672

25210.08

15.53

22511.059 10.71

22511.116 10.71

23209.143 7.94

23209.185 7.94

Grafik 2

Tabel 3. Data Eksperimen dengan Diameter

Konstan

V

(Volt) (𝑒

𝑚)𝑝𝑒𝑟

(𝑒

𝑚)𝑔𝑟𝑎𝑓

KSR

(%)

6

27806.111

25408.89

9.43

26149.140 2.91

25998.482 2.32

27112.973 6.71

26693.977 5.06

8

23692.667

21396.25

10.73

20020.372 6.43

23805.418 11.26

22916.155 7.10

23461.406 9.65

10

21178.404

16662.4

27.10

20020.261 20.15

18954.133 13.75

19333.754 16.03

19611.762 17.70

Grafik 3

Analisa Data

Dalam setiap eksperimen yang

dilakukan terlihat bahwa untuk memperoleh

jari – jari atau diameter yang relative besar

maka tegangan harus besar sedangkan arus

harus kecil. Hal ini dikarenakan arus yang

berbanding lurus dengan medan magnet,

sedangkan medan magnetnya sendiri

berbanding terbalik dengan jari – jari. Berbeda

dengan tegangan yang sebanding dengan jari –

jari.

Perhitungan muatan spesifik dari hasil

percobaan menunjukkan nilai – nilai yang

berbeda untuk setiap percobaan. Setelah

dibandingkan dengan muatan spesifik grafik

ternyatan percobaan kedua dengan arus

konstan memiliki KSR yang cenderung besar

dibandingkan pada percobaan lainnya. Misal,

pada eksperimen dengan arus konstan

menghasilkan KSR terbesar yaitu 778,56%

atau semakin kecil arus konstan yang

digunakan, justru semakin besar nilai KSR

yang didapat. Hal ini dikarenakan, pada saat

arus semakin besar, ternyatan lintasan elektron

yang terbentuk cenderung kurang jelas.

Ditambah, tegangan yang digunakan juga

cenderung kecil. Sehingga pengukuran yang

dilakukan kurang akurat. Berbeda dengan

eksperimen 4 yang mencari nilai tegangan

pada rentang tegangan yang besar sehingga

lintasan terlihat lebih jelas dan KSR yang

diperoleh pun tidak terlalu besar.

Setiap grafik dari setiap percobaan

menunjukkan hubungan linieritas. Baik pada

eksperimen 1, 2 ataupun 3. Hal ini dikarenakan

varabel bebas dan terikatnya dalam setiap

eksperimen cenderung memiliki hubungan

linier.

y = 0.0077x + 1.2712R² = 0.9993y = 0.0126x - 0.1846

R² = 0.9521

y = 0.0119x + 0.8945R² = 0.9989

0

5

10

15

0 500 1000 1500

B2(T

-2)

r2(m2)

Grafik B2=f(1/r2)

y = 11.434x + 12.205R² = 0.9787

y = 17.117x + 14.775R² = 0.809

y = 20.828x + 38.746R² = 0.9792

0

100

200

300

400

0 10 20 30

V (

Vo

lt)

B2(T2)

Grafik V=f(B2)

V. Simpulan

Kesimpulan dari praktikum ini adalah

nilai muatan spesifik e/m dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan 5. Percobaan

ini dilakukan dengan memanfaatkan katoda

yang memancarkan elektron menuju anoda

jika diberi tergangan dan arus yang sesuai

karena dilakukan di dalam suatu medan

magnet, maka lintasan elektron yang terbentuk

berupa lingkaran terbukti karena ada pengaruh

gaya sentripetal. Hubungan ketiga grafik yang

diperoleh adalah hubungan linier.

Dafta Pustaka

[1] Halliday, David.____. Dasar – Dasar

Fisika versi Diperluas. Tangerang : Binarupa

Aksara.

[2] Maghfiroh, Imroatur. 2014. Pengaruh

Medan Magnet Terhadap Elektron dan Nilai

Rasio e/m Elektron. Surabaya : Universitas

Airlangga.