1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Masalah

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 Milikan Oil-drop Apparatus , adaptor

DC 12 Volt, high voltage DC power supply, multimeter digital, atomizer + minyak, stopwatch,

barometer, dan lampu halogen DC 12 Volt. Eksperimen ini dimulai dengan menyemprotkan

Atomizer kedalam 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) dan bilangan Avogadro (N) 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.

1.2 Tujuan Percobaan

1. Menentukan jari-jari dan muatan listrik sebuah minyak.

2. Membuktikan bahwa muatan listrik terkuantisasi secara diskrit.

1.3 Peralatan

1. Sistem peralatan Milikan (Leybold 55941)2. Power Supply (Leybold 55941)3. Minyak pengisi4. Pewaktu (Leybold 55941)5. Kabel penghubung

2

BAB IIPEMBAHASAN

2.1. Dasar Teori

Salah satu konstanta penting dalam fisika adalah nilai muatan listrik yang dibawa

oleh sebuah elektron. Pada tahun 1913, R.A. Milikan dengan menggunakan eksperimen

tetes minyak dapat mendemonstrasikan dan mengukur secara tepat muatan elektron.

Pada eksperimen tetes minyak Milikan, tetes minyak disemprotkan melalui bagian

atas dua keping sejajar. Dengan menggunakan mikroskop, dapat diamati dan diukur

kecepatan vertikal tetes minyak tersebut. Tetes minyak ini mengalami tiga gaya

yang berbeda, yaitu gaya viskos, gaya gravitasi, dan gaya listrik. Dari analisis ketiga gaya ini

dapat diturunkan suatu persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan muatan elektron

(q) Analisis untuk muatan dapat dijelaskan sebagai berikut.

Kasus pertama

Anggaplah bahwa tidak ada medan listrik E dalam dua keping sejajar. Tetes minyak

jatuh ke bawah (keping bawah) hanya disebabkan oleh gaya gravitasi, dan diperlambat oleh

gaya gesek udara (gaya Stokes dan gaya Archimedes). Gaya-gaya yang bekerja pada tetes

minyak tersebut dapat dituliskan :

Gaya gravitasi, gaya yang dialami oleh tetes minyak

Fg moil g

Gaya gesek, gaya yang arahnya melawan gaya gravitasi, dalam hal ini sama dengan gaya

Stokes

Fr 6rv1

3

Gaya Archimedes, gaya dengan arah ke atas

FA mL g

Dengan moil, mL, η, v1 masing-masing massa tetes minyak, massa udara dengan volum

sama dengan tetes minyak, viskositas minyak, jari-jari tetes minyak, dan kecepatan gerak

tetes minyak ke bawah. Sehingga resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak dapat ditulis :

moil g mL g 6rv1 0

Bila moil – mL = m, maka persamaan di atas dapat ditulis menjadi:

m g 6rv1 0

Dengan m.g merupakan berat tetes minyak setelah dikurangi oleh gaya Archimedes. Bila

oil L , dengan

o

il

dan L adalah rapat massa tetes minyak dan rapat massa udara,

maka dengan mengganti m V 4 r 3

3

akan diperoleh resultan gaya tetes minyak

r 3 g 6rv1 0

Ataur

9v1

2g

Kasus kedua

Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian sehingga tetes minyak bergerak

ke atas dengan kecepatan v2. Bila tegangan antar pelat U dan jarak antar kedua pelat adalah d,

maka E=U/d dan gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah :

q E m g 6rv2 0

Untuk tetes minyak yang melayang di antara pelat sejajar karena pengaruh medan listri k

E, maka pers (2) menjadi :

4

q U

4 r 3 g

0d 3

Dari penjelasan di atas terlihat bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat

digunakan untuk menentukan muatan elektron elementer :

3c

1. Mengukur kecepatan jatuh bebas v1 sebelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan

U sehingga tetes minyak diam diantara dua pelat sejajar. Formulasi metode ini

dapat dilakukan dengan substitusi pers. (1) dan pers (3), sehingga diperoleh :

q 6dv1

U

9 v1

2 g

Dengan karakteristik alat dan bahan sebagai berikut :

η = 1,81 . 10-5 N/m2 s, d = 6.10-3 m, ρoil = 875,3 kgm-3, ρL = 1,29 kgm-3

sehingga persamaan (4) dapat dituliskan menjadi :

3

q 2 10 10 v1 2

UA s

2. Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak dalam ruang bebas medan listrik v1 dan kecepatan

naik v2 pada tegangan tertentu U. Formulasi ini dapat dilakukan dengan substitusi pers (1) ke

dalam pers (2) sehingga diperoleh :q = Dengan memasukkan nilai η, d, dan ρ ke dalam pers (6) diperoleh :

q v1 v2 v1 2 10 10 A sU

Untuk meningkatkan akurasi nilai terukur dalam percobaan Milikan digunakan faktor koreksi

(koreksi Chunningham) sebagai berikut. Andaikan muatan terkoreksi qc tekanan udara p

(bar), maka koreksi dari pers (5) atau pers (7) adalah :

qc q

atau q q2 b 3 1

1

b 2

rp

rp

Dengan b adalah suatu konstanta yang dapat diperoleh secara numerik atau grafik (-6,33.10-5

mbar)

2.2. Prosedur Percobaan

1. Menyemprotkan minyak atom (atomic oil) ke dalam pelat sejajar Milikan dengan cara

memompakan minyak tersebut.

2. Mengatur teropong yang terdapat di samping Chamber Milikan untuk mengamati tetes

minyak yang telah disemprotkan tersebut sedemikian sehingga dapat terlihat dengan jelas

tetes-tetes minyak tersebut.

3. Mengamati salah satu dari beberapa tetes yang ada, kemudian menentukan kecepatan jatuh

tetes tersebut. Dengan mengukur jarak tempuh dan waktu yang diperlukan (1 skala yang

terlihat pada okuler dikonversi ke meter dalam s x

1,87510 4 m dengan x adalah jumlah

skala). Menamakan kecepatan ini dengan v1 dan melakukan dengan pengukuran

sebanyak tiga kali.

4. Mengalirkan tegangan listrik pada dua keping pelat sejajar tersebut sehingga dihasilkan

medan listrik yang dapat menahan tetes minyak sehingga diam di antara dua pelat,

menamakan tegangan ini sebagai U1.

5. Memperbesar tegangan listrik sehingga tetes bergerak melawan arah gravitasi, menamakan

tegangan ini sebagai U2.

6. Menentukan kecepatan tetes minyak akibat gaya listrik U, menamakan sebagai v2,

melakukan sebanyak tiga kali seperti langkah 3.

7. Menabulasikan hasil pengamatan yang dilakukan dalam sebuah tabel.

2.3. Pembahasan

Pada praktikum tetes minyak milikan terdapat 2 tujuan, yaitu tujuan umum dan tujuan

khusus. Tujuan umum dalam praktikum ini ialah membuktikan bahwa muatan listrik

terkuantisasi secara diskrit sedangkan tujuan khususnya ialah menentukan jari-jari dan

muatan listriknya sebuah tetes minyak dan menentukan muatan listrik dari elektron.

Percobaan tetes minyak Milikan dirancang untuk mengukur muatan listrik elektron dengan

menyimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes

kecil minyak yang berada di antara dua buah pelat elektroda. Dengan mengetahui besarnya

medan listrik, muatan pada tetes minyak yang dijatuhkan (droplet) dapat ditentukan. Dengan

mengulangi eksperimen ini sampai beberapa kali, Robert Milikan menemukan bahwa nilai-

nilai yang terukur selalu kelipatan dari suatu bilangan yang sama. Ia lalu menginterpretasikan

bahwa bilangan ini adalah muatan dari satu elektron : 1.602 × 10−19 Coulomb.

Dalam percobaan ini praktikan mengalami kesulitan dalam pengambilan data

dikarenakan sulitnya menyemprotkan minyak dan mengamati tetes minyak tersebut. Minyak

disemprotkan ke dalam plat sejajar dengan cara disemprotkan melalui celah sempit sehingga

hanya sedikit tetes minyak yang lolos ke dalam pengamatan. Selain itu, kecerahan citra yang

terlihat pada mikroskop sangat kurang (buram), sehingga praktikan kesulitan mengamati tetes

minyak tersebut dan menyebabkan mata pengamat menjadi gampang lelah karena

berakomodasi maksimum dalam waktu yang lama.

Secara teori, tetes minyak akan mengarah ke bawah (jatuh) karena adanya pengaruh

gaya gravitasi. Namun, pada waktu melakukan percobaan, praktikan mengamati kecepatan

jatuh dari tetes minyak justru mengarah ke atas karena sifat lensa pada mikroskop yang

memperbesar sekaligus membalik bayangan sehingga tetes minyak yang teramati

mengarah ke atas sebelum diberikan tegangan.

Pada praktikum ini, sebelum plat sejajar diberikan tegangan, kecepatan jatuh tetes

minyak adalah sebesar 2,98.10-4 m/s dan jari-jari tetes minyak 1,684.10-6 m. Tetes minyak

yang jatuh mengalami percepatan gravitasi, tetapi adanya gaya gesekan menyebabkan

kecepatan minyak tetap. Kecepatan ini diperlukan untuk menentukan keseimbangan gaya,

pada tetes minyak bergerak akan terdapat gaya elektrostatik. Melalui beda potensial

antara dua keping dapat diatur sehingga gaya elektrostatik mampu membuat tetes minyak

berhenti, sehingga terjadi keseimbangan. Setelah diberikan tegangan sebesar 260 Volt, tetes

minyak berada pada keadaan setimbang. Pada mesin atomisasi (atomizer machine) yang

berfungsi untuk mengubah ukuran benda menjadi mikroskopis, terjadi gesekan antara

material (cairan)

dengan mesin. Adanya gesekan ini akan menyebabkan material-material kecil yang

keluar dari mesin menjadi bermuatan listrik (akibat adanya listrik statis). Beberapa elektron

atau ion lalu bertumbukan dengan tetes minyak tersebut sehingga menjadikannya bermuatan

negatif ataupun positif, tergantung ion atau elektron yang menumbuknya. Ketika tetes

minyak kecil ini jatuh di daerah yang ada medan listrik, maka partikel kecil ini akan tertarik

ke arah kutub yang berlawanan dengan muatannya. Tetes minyak pada percobaan Millikan

bermuatan negatif. Bila pada tutup chamber bagian atas kita buat bermuatan positif, maka

tetes tersebut akan tertarik ke atas. Jika kedua plat diberikan tegangan, maka partikel (tetesan

minyak) yang telah bermuatan akan bergerak, di mana partikel yang bergerak ke atas (atau

ke bawah dalam pengamatan) merupakan partikel elektron (-) sedangkan yang bergerak

ke bawah adalah proton (+). Pada praktikum, tegangan sebesar 520 Volt mampu

mengubah arah gerak sehingga tetes minyak berada pada keadaan dinamis.

Melalui analisis data dengan metode dinamis, diperoleh nilai muatan elektron q

sebesar (1,63±0,187).10-19 Coulomb dan dengan metode kesetimbangan sebesar

(3,895±0,079).10-21 Coulomb, sedangkan menurut literatur adalah 1,602.10-19 Coulomb,

sehingga dapat disimpulkan bahwa pengukuran muatan elektron dengan menggunakan

metode dinamis lebih akurat daripada dengan metode kesetimbangan. Perbedaan nilai q

antara literatur dengan hasil metode kesetimbangan yang terlalu jauh kemungkinan

disebabkan oleh :

- Ketidaktelitian pengamatan tetes minyak karena mata pengamat yang terlalu lelah.

- Tetes-tetes minyak yang ukurannya tidak sama besar (tidak homogen) sehingga

(mungkin) menyebabkan kecepatan jatuhnya berbeda-beda.

- Ketidaksigapan praktikan dalam penentuan selang waktu.

BAB III

KESIMPULAN3.1 Kesimpulan

1. Percobaan Milikan dirancang untuk mengukur muatan listrik elektron dengan

menyeimbangkan gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang

berada antara dua buah elektroda sehingga membuktikan bahwa muatan listrik

(elektron) terkuantisasi secara diskrit, sebesar 1.602 × 10−19 Coulomb.

2. Jari-jari tetes minyak berdasarkan analisis :

3. Muatan listrik minyak berdasarkan analisis :

4. Tetes minyak dapat bergerak ketika diberikan tegangan sebesar 520 Volt karena

tetes minyak mengandung muatan akibat listrik statis karena adanya gesekan.

5. Berdasarkan analisis data praktikum ini, pengukuran muatan elektron dengan metode

dinamis memberikan hasil yang jauh lebih teliti dibandingkan metode kesetimbangan.

6. Perbedaan nilai muatan elektron q yang terlalu jauh antara literatur dengan metode

kesetimbangan kemungkinan besar dikarenakan ketidaktelitian dalam pengambilan

data karena mata pengamat cepat lelah.

3.2. Saran

Dalam sistem penulisan makalah ini Kami sebagai penulis belum dapat mengakui

bahwa makalah ini benar-benar sempurna sesuai yang diharapkan, namun penulis

membutuhkan saran dan keritikan untuk dapat memperbaiki karya ini, dan muda-mudahan

makalah ini dapat bermanfaat bagi penulis dan kepada generasi penerus bangsa. Secara global.