pengukuran diameter dan muatan listrik …web.unair.ac.id/admin/file/f_21961_milikan.pdf ·...
TRANSCRIPT
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 1
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES
MINYAK
Intan Masruroh S, Anita Susanti, Reza Ruzuki, dan Zaky Alam
Laboratorium Fisika Radiasi, Departement Fisika, Fakultas Sains dan Terknologi, Universitas Airlangga
Jalan Mulyorejo, Surabaya
email : [email protected]
Abstrak
Pada pengamatan kali ini kami melakukan pengamatan terhadap percobaan tetes
minyak milikan. Yaitu sebuah eksperimen yang bertujuan untuk membuktikan muatan
listrik adalah 1,6 x 10-19
. Selain itu eksperimen ini bertujuan untuk menentukan jari-jari
suatu tetes minyak, serta membuktikan bahwa muatan listrik terkusntisasi secara diskret.
Dalam pengukuran ini digunakan sistem peralatan Milikan (leybold 55941) dengan
metode dinamis dan metode kesetimbangan untuk menetukan kecepatan tetes minyak..
Sehingga di dapat nilai muatan listrik elektron menggunakan metode kesetimbangan
(13.056 ± 0.002)10−19
A.s dan menggunakan metode dinamis di dapat (14.07 ± 9.36)
10−19
A∙s sedangkan nilai bedasarkan refferensi adalah e (1,6∙10−19
C).
Kata kunci : muatan elektron, tetes minyak milikan, kec.tetes minyak.
PENDAHULUAN
Elektron merupakan suatu dasar penyusun atom. Inti atom terdiri dari
elektron(bermuatan negatif) dan proton(bermuatan positif). Pengukuran muatan elektron
dilakukan oleh ilmuwan fisika Amerika Robert Milikan pada 1909 dan dipublikasikan
pada tahun 1911. Pengukuran yang dilakukan R. Milikan mampu mendapatkan nilai
muatan untuk 1-150 ion dengan batas kesalahan kurang dari 0.3%. metode pengukuran
muatan listrik elektron oleh milikan adalah dengan membuat sebuah sistem/alat yang
dibuat dengan medan listrik untu mencegah tetesan minyak jatuh karena gravitasi.
Pada ekseperimen yang dilakukan di lakukan di laboratorium radiasi tets minyak
disemprotkan melalui bagian atas dua keping sejajar (berupa lubang kecil). Sehingga
akan ada minyak yang masuk ke dalam celah antara dua plat. Kemudian tetesan minyak
di dalam plat diamati. Tetesan minyak yang ada di dalam plat akan bergerak-bergerak di
dalam celah maka harus di amati salah satu titik(tetes) acuan. Dan titik acuan itu di amati
kecepatanya untuk menempuh jarak sejauh x skala dalam t sekon. Dalam pergerakannya
di celah antar plat partikel tetes mengalami 3 gaya yang berbeda yaitu gaya viskos, gaya
gravitasi, dan gaya listrik. Dari persamaan ketiga gerak ynag mempengaruhinya maka
akan didapatkan suatu persamaan untuk menghitung muatan elektron.
Dengan menyusun alat seperti gambar
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 2
METODE EKSPERIMEN
Waktu dan tempat eksperimen.
Eksperimen ini dilakukan di laboratorium radiasi lt.2 departemen fisika, fakultas sains
dan teknologi, universitas airlangga. Pada hari kamis 3 oktober 2013, pukul 15.30 s/d
17.00 WIB.
Alat dan Bahan
1. Sistem peralatan Milikan (leybold 55941)
2. Power supply (leybold 55941)
3. Minyak pengisi
4. Pewaktu (stopwatch)
5. Kabel penghubung
Prosedur Eksperimen
a. Pengambilan data bagian 1.
1. Menyemprotkan minyak atom ke dalam plat sejajar dengan cara memompakan
minyak tersebut, sehingga masuk melalui celah kecil.
2. Mengatur teropong yang berada di samping milikan chamber (di depan
pengamat) untuk megamati tetes minyak yang telah dsemprotkan hingga anda
melihat dengan jelas.
3. Mengamati salah satu tetes minyak yang paling jelas. Kemudian menentukan
kecepatan jatuh tetes tersebut. Dengan mengukur jarak tempuh dan waktu yang
diperlukan. 1 skala pada lesa okuler di konversi ke meter 𝑠 =𝑥
1,875∙ 10−4𝑚, x
adalah jumlah skala. Kecepatan terukur disini dinamakan kecepatan ν1 dan
dilakukan pengukuran serupa sebanyak 3 kali.
b. Pengambilan data bagian 2.
1. Menyemprotkan minyak atom ke dalam plat sejajar Milikan.
2. Mengalirkan tegangan listrik pada dua keping plat sejajar sehingga dihasilkan
medan listrik yang menahan tetes minyak diam diantara dua plat namakan
tengangan ini sebagai U1 .
c. Pengambilan data bagian ke 3.
1. Menyemprotkan minyak atom ke dalam plat sejajar.
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 3
2. Memperbesar teganagn listrik sehingga tetes minyak bergerak berlawan arah
gravitasi, tegangan ini sebagai U2.
3. Menentukan kecepatan tetes minyak akibat gaya listrik U2 sebagai ν2 dan
dilakukan pengukuran sebanyak 3 kali.
HASIL EKSPERIMEN
Tabel 1 Hasil Pengukuran Dengan Metode Kesetimbangan
Pengukuran Ke x Delta t1 𝑼𝟏
1 10 20.1 230
2 10 3.9 310
3 10 3.7 260
Keterangan:
x = jumlah skala
t = waktu (s)
Tabel 2 Hasil Pengukuran dengan Metode Dinamis
Pengukuran Ke x Delta t2 𝑼𝟐
1 10 2.5 600
2 10 0.3 600
3 10 1.4 560
Keterangan:
x = jumlah skala
t = waktu (s)
ANILISIS DAN PEMBAHASAN
Perhitungan
1. Menghitung jari-jari tetes minyak
dengan menggunakan ketiga persamaan gaya gravitasi, gaya stokes, dan gaya
archimedes maka diperoleh resultan gaya tetes minyak sebagai
𝑟 = 9𝜂𝜈1
2𝜌𝑔
Keterangan:
𝜂 = Koefisien Viskositas Minyak (1,81∙10−5 N/m2)
𝜌𝑜𝑖𝑙 = Massa Jenis Minyak (875,3 kg/m3)
𝜌𝑙 = Massa Jenis udara (1.29 kg/m3)
𝜌 = 𝜌𝑜𝑖𝑙 − 𝜌𝑙 = 874,01
𝑔 = Percepatan Gravitasi (9,8 in/s2)
𝑣1= Kecepatan Tetes Minyak (m/s)
𝑟 = Jari – Jari Tetes Minyak (m)
sehingga di dapat nilai jari-jari tetes minyak adalah (1.154 ± 0.004) 10-6
m.
2. Menentukan kecepatan tetes minyak 𝜈1
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 4
Dengan mengunakan rumus 𝑠 =𝑥
1.875 ∙ 𝑡∙ 10−4 𝑚 maka didapatkan nilai Jadi.
kecepatan tetes minyak 𝑣1 = (1.403 ± 0.870) 10−4
m/s.
3. Menentukan nilai muatan listrik menggunakan metode kesetimbangan.
Pengukuran muatan listrik dilakukan dengan dimana nilai U1 adalah 245 volt.
𝑞 =6𝜋𝑑𝜂𝜈1
𝑈1
9𝜂𝜈1
2𝜌𝑔
Sehingga di dapat nilai q = (13.056 ± 0.002)10−19 A.s
Perhitungan metode dinamis.
1. Mengukur kecepatan tetes minyak (𝜈2)
dengan mengunakan rumus 𝑠 =𝑥
1.875 ∙ 𝑡∙ 10−4 𝑚 maka di dapatkan nilai untuk
(𝜈2) = (2.17 ± 0.04) 10−4
m/s
2. Mengukur nilai muatan listrik elektron untuk metode dinamis.
Ketika tetes minyak tadi berada dalam posisi diam, kemudian di beri tegangan
sebesar 600volt sehingga elektro bergerak lagi. Kecepatan ini di hitung
menggunakan rumus 𝑞 =(𝑣1+𝑣2)
𝑈2 𝑣1𝜂
3/2 18𝜋𝑑
2𝜌𝑔𝐴. 𝑠 Jadi, nilai muatan listrik
elektron = (14.07 ± 9.36) 10−19
A∙s
Pembahasan
Eksperimen tetes minyak milikan adalah salah satu eksperimen yang cukup
akurat dalam menentukan muatan listrik elektron. Eksperimen ini digunakan untuk
menunjukan bahwa muatan bersifat diskret. Sistem yang terdiri dari dua plat keping
sejajar, minyak semprot, mikroskop, skala. Pengamatan dilakukan di ruang yang tertutup
untuk memudahkan melihat buih tetes minyak karena ukuran nya yang sangat kecil maka
pengamatan dilakuakan dengan menggunakan mikroskop. Sehingga berkas akan terlihat
jelas. Setelah di dapat gambar berkas yang jelas, di pilih salah satu berkas yang ukuranya
cukup besar, supaya mudah diamati. Pada tetes yang dipilih akan bergerak menuju
gravtasi (ke atas )pada pengamatan yang menggunakan lensa cembung. Ketika tetes
sampai batas skala ukur pengamat menaikan inputan listrik supaya gelembung tetes
berhenti.nilai yang tertera sebagai U1. untuk mebuat tetes(gelembung) berjalan
turun(pengamat) maka di beri tengangan yang lebih besar lagi, sehingga tetes dapat turun
dan di dapat nilai t dan skala nya. Dengan menghitung jarak skala dan waktu yang
ditempuh maka kita akan dapatkan nilai v. Setelah didapat nilai v maka kita jari-jari akan
dapat dihitung. Kemudian di dapat nilai q.
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 5
Dari pengamatan di dapat nilai Muatan elektron merupakan diskret (terkuantisasi), yaitu
kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar 𝑒 (1.6 ∙ 10−19𝐶) yang di dapatkan dalam
eksperimen 𝑞2 = 14.07 ∙ 10−19 dan 𝑞1=13.056 ∙ 10−19 merupakan mendekati kelipatan
9 dan 8 dari 1.6 ∙ 10−19𝐶 . hal ini di mungkinkan bahwa tetes yang minyak yang
digunakan merupakan minyak yang terdiri dari atom-atom penyusun lain.
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan
1. Jari – jari tetes minyak adalah sebesar (1.154 ± 0.004) 10−6
m.
2. Besarnya muatan listrik yang diperoleh dari metode kesetimbangan adalah
sebesar (13.056 ± 0.002)10−19
A.s.
3. Besarnya muatan listrik yang diperoleh dari metode dinamis adalah sebesar
(14.07 ± 9.36) 10−19
A∙s.
4. Muatan listrik bersifat diskret, yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar e
(1,6∙10−19
C).
Daftar pustaka
1. http://id.wikipedia.org/wiki/Elektron
2. Dosen Fisika Radiasi. 2011. Buku Petunjuk Fisika Eksperimental. Departemen Fisika,
Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya
3. Nugroho, Ardhy P. 2012. Laporan Praktikum Tetes Minyak Milikan. Laboratorium
Fisika Radiasi, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas
Airlangga, Surabaya
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 6
LAMPIRAN
ANALISIS PERHITUNGAN
PERCOBAAN MILIKAN
Data Pengamatan
Delta t1 Delta t2 U1 U2
20.1 2.5 230 600
3.9 0.3 310 600
3.7 1.4 260 560
Karena statistik yang di dapat memiliki range yang cukup jauh dan akan menghasilkan data yang jelek
jika di rata-rata. Maka di rata-rata menggunakan nilai yang saling mendekati.
Dengan menggunakan skala 10
1. Menentukan Kecepatan Tetes Minyak
Tabel 1 Analisis Data Metode Kesetimbangan
Pengukuran Ke x t x2
t2
1 10 20.1 100 404.01
2 10 3.9 100 15.21
3 10 3.7 100 14.44
Jumlah 30 - 300 29.65
Rata – Rata 10 3.8 100 14.825
Keterangan:
x = jumlah skala
t = waktu (s)
𝑥 = 10
∆𝑥 = 𝑥2 − 𝑥 2
∆𝑥 = 100 − 100
∆𝑥 = 0
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 7
∆𝑥 = 0
Jadi, jumlah skala = (10 ± 0)
𝑡 = 3.8 𝑠
∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡 2
∆𝑡 = 14.825 − 14.44
∆𝑡 = 0.385
∆𝑡 = 0.62 𝑠
Jadi. waktu = (3.8 ± 0.62) s
Kecepatan tetes minyak 𝑣1 adalah
𝑣1 =𝑠
𝑡
Dengan 𝑠 =𝑥
1.875 ∙ 3.8∙ 10−4 𝑚
Maka.
𝑣1 = 𝑥
1.875 ∙3.8 ∙ 10−4
𝑣1 =10
1.875 ∙3.8 ∙ 10−4
𝑣1 = 1.403 ∙ 10−4 𝑚/𝑠
∆𝑣1 = 𝜕𝑣1
𝜕𝑥 ∆𝑥 +
𝜕𝑣1
𝜕𝑡 ∆𝑡
∆𝑣1 = 1
1.875 ∙ 3.8 ∙ 10−4 ∆𝑥 + −
𝑥
1.875 ∙ 3.8 ∙ 10−4 ∆𝑡
∆𝑣1 = 1
1.875 ∙3.8 ∙ 10−4 0 + −
10
1.875 ∙3.8 ∙ 10−4 0.62
∆𝑣1 = 1.403 ∙ 10−4 0 + −1.403 ∙ 10−4 0.62
∆𝑣1 = 0 + 0.870 . 10−4
∆𝑣1 = 0.870 ∙ 10−4 𝑚/𝑠
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 8
Jadi. kecepatan tetes minyak = (1.403 ± 0.870) 10−4
m/s
2. Menentukan Jari – Jari Tetes Minyak
𝑟 = 9𝜂𝑣1
2𝜌𝑔
𝑟 = 9 1.81∙10−5 1.403 .10−4
2 874 .01 9.8
𝑟 = 22.85478 ∙10−9
17130 .596
𝑟 = 1.334 ∙ 10−12
𝑟 = 1.334 ∙ 10−12
𝑟 = 1.154 ∙ 10−6 𝑚
Δ𝑟 = 𝜕𝑟
𝜕𝑣1 Δ𝑣1
∆𝑟 = 1
2
9𝜂𝑣
2𝜌𝑔 −
1
2
9𝜂
2𝜌𝑔 ∆𝑣1
Δ𝑟 = 3
2
𝜂
2𝜌𝑔 Δ𝑣1
Δ𝑟 = 3
2
1.81∙10−5
2 874 .01 9.8 0.870 ∙ 10−4
Δ𝑟 = 3
2. 3.250 ∗ 10−5 ∗ 0.870 ∗ 10−4
Δ𝑟 = 4.241 ∗ 10−9𝑚
Δ𝑟 = 0.004 ∗ 10−6𝑚
Jadi. jari – jari tetes minyak = (1.154 ± 0.004) 10−6
m
3. Menentukan Nilai Muatan Listrik Elektron
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 9
a. 𝑞 =6𝜋𝑑𝜂 𝜈1
𝑈1
9𝜂𝜈1
2𝜌𝑔
𝑞 = 6∙3.14 ∙ 6∙10−3 ∙ 1.81 ∙10−5 ∙ 1.403 ∙10−4
245
1.81∙10−5 ∙9∙ 1.403 ∙10−4
2∙874 .01∙9.8
𝑞 = 1.171 ∙ 10−12 ∙ 1.115 ∙ 10−6
𝑞 = 1.3056 ∙ 10−18𝐴 ∙ 𝑠
𝑞 = 13.056 ∙ 10−19𝐴 ∙ 𝑠
∆𝑞 = 𝜕𝑞
𝜕𝑣1 ∆𝑣1 +
𝜕𝑞
𝜕𝑈1 ∆𝑈1
∆𝑞 = 6𝜋𝑑𝜂𝜈1
𝑈1
9𝜂𝜈1
2𝜌𝑔 ∆𝑣1 + −
6𝜋𝑑𝜂𝜈1
𝑈1
9𝜂𝜈1
2𝜌𝑔 ∆𝑈1
∆𝑞 = 0 ∙ 10−4 + 6𝜋𝑑𝜂𝜈1
𝑈12
9𝜂𝜈1
2𝜌𝑔 Δ𝑈1
= 0 + 5.520 ∙ 10−21 0.5
∆𝑞 = 0 + 2.760 . 10−21
∆𝑞 = 0.002 ∙ 10−19𝐴 ∙ 𝑠
Jadi, nilai muatan listrik pada elektron adalah = (13.056 ± 0.002)10−19
A.s
Muatan elektron merupakan diskret (terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar
𝑒 (1,6 ∙ 10−19𝐶) yang dirumuskan sebagai berikut:
𝑞 = 𝑛𝑒
𝑛 =𝑞
𝑒
𝑛 =13.056 ∙ 10−19
1,6 ∙ 10−19
𝑛 = 8.44125
𝑛 ≅ 8 (𝑏𝑖𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑏𝑢𝑙𝑎𝑡)
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 10
Metode Dinamiseliling.
Tabel 2 Analisis Data Metode Dinamis
U2 = 600 Volt
Pengukuran Ke X t x2
t2
1 10 2.5 100 6.25
2 10 0.3 100 0.09
3 10 2.4 100 5.76
Jumlah 30 5.2 300 12.1
Rata – Rata 10 2.45 100 6.005
Keterangan:
x = jumlah skala
t = waktu (s)
𝑥 = 10
∆𝑥 = 𝑥2 − 𝑥 2
∆𝑥 = 100 − 100
∆𝑥 = 0
∆𝑥 = 0
Jadi. jumlah skala = (10 ± 0)
𝑡 = 2.45 𝑠
∆𝑡 = 𝑡2 − 𝑡 2
∆𝑡 = 6.005 − 6.0025
∆𝑡 = 0.0025
∆𝑡 = 0.05 𝑠
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 11
Jadi, waktu = (2.45 ± 0.05) s
Kecepatan tetes minyak 𝑣2 adalah
𝑣2 =𝑠
𝑡
Dengan 𝑠 =𝑥
1.875 . 10−4 𝑚
Maka,
𝑣2 = 𝑥
1.875 ∙2.45 . 10−4
𝑣2 =10
1.875 ∙2.45 . 10−4
𝑣2 = 2.17 ∙ 10−4 𝑚/𝑠
∆𝑣2 = 𝜕𝑣2
𝜕𝑥 ∆𝑥 +
𝜕𝑣2
𝜕𝑡 ∆𝑡
∆𝑣2 = 1
1.875 ∙ 2.45 . 10−4 ∆𝑥 + −
𝑥
1.875 ∙ 𝑡 2 . 10−4 ∆𝑡
∆𝑣2 = 1
1.875 ∙ 2.45 . 10−4 0 + −
10
1.875 ∙ 6.0025 . 10−4 0.05
∆𝑣2 = 0 + 0.044 ∙ 10−4
∆𝑣2 = 0.044 ∙ 10−4 𝑚/𝑠
Jadi, kecepatan tetes minyak (v2) = (2.17 ± 0.04) 10−4
m/s
Nilai muatan listrik elektron
𝑞 =(𝑣1+𝑣2)
𝑈2 𝑣1𝜂
3/2 18𝜋𝑑
2𝜌𝑔𝐴. 𝑠
𝑞 = 1.403 +2.17 ∙10−4
600 1.403 ∙ 10−4 1.81 ∙ 10−5
3
218∙3.14∙6∙10−3
2∙874 .01∙9.8𝐴. 𝑠
𝑞 = 1.403 +2.17 ∙10−4
600 1.403 ∙ 10−4 1.81 ∙ 10−5
3
218∙3.14∙6∙10−3
2∙874 .01∙9.8𝐴. 𝑠
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 12
𝑞 =5048649 122623603 ∙ 1810
32
3059035000000000000000000000000000𝐴. 𝑠
𝑞 = 1.407 ∙ 10−18𝐴. 𝑠
𝑞 = 14.07 ∙ 10−19𝐴. 𝑠
∆𝑞 = 𝜕𝑞
𝜕𝑣1 ∆𝑣1 +
𝜕𝑞
𝜕𝑣2 ∆𝑣2 +
𝜕𝑞
𝜕𝑈2 ∆𝑈2
∆𝑞 = 9𝜋𝑑 𝑣2𝜂
32
𝑣1𝑢2 2𝜌𝑔+
27𝜋 𝑣1𝑑𝜂32
𝑢2 2𝜌𝑔 ∆𝑣1 +
18𝜋 𝑣1𝑑𝜂32
𝑢2 2𝜌𝑔 ∆𝑣2 + | −
18𝜋 𝑣1𝑑 𝑣1 + 𝑣2 𝜂
32
2𝜌𝑔𝑢22 ||∆𝑈|
∆𝑞 = 8.95421 ∙ 10−15 0.870 ∙ 10−4 + 3.9387 ∙ 10−15 0.04 ∙ 10−4 + |3.9092 ∙ 10−24||0.5|
∆𝑞 = 7.7901 ∙ 10−19 + 1.5755 ∙ 10−19 + 1.9546 ∙ 10−24
∆𝑞 = 9.3656 ∙ 10−19𝐴 ∙ 𝑠
Jadi, nilai muatan listrik elektron = (14.07 ± 9.36) 10−19
A∙s
Muatan elektron merupakan diskret (terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar
𝑒 (1.6 ∙ 10−19𝐶) yang dirumuskan sebagai berikut:
𝑞 = 𝑛𝑒
𝑛 =𝑞
𝑒
𝑛 =14.07 ∙10−19
1.6∙10−19
𝑛 = 8.79375
𝑛 ≅ 9 (𝑏𝑖𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑏𝑢𝑙𝑎𝑡)
PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK 2013
Masruroh S Intan |airlangga university Page 13