MUATAN ELEMENTER

ABSTRAK

Muatan elementer (tetes milikan) disebut juga sebagai percobaan oil-drop karena dirancang untuk mengukur muatan listrik. Muatan listrik sebagai muatan elementer dibawa oleh partikel dapat dihitung dengan mengukur gaya yang bekerja pada sebuah medan listrik yang diketahui nilainya. Tujuan dari percobaan tetes milikan ini untuk mempelajari cara menentukan muatan elementer. Percobaan yang dilakukan pada praktikum ini adalah menghitung jarak dan waktu tempuh tetesan naik dan turun minyak. Analisis dari percobaan Robert Andrew Millikan bahwa nilai muatan elementer electron adalah 1,6 x 10-19 C. Konstanta yang didapatkan tersebut diperoleh dari gaya-gaya yang bekerja pada partikel ketika berada pada daerah medan listrik (daerah kedua plat), diantaranya ada gaya gesek udara dengan partikel, gaya gravitasi pada partikel, da gaya oleh medan listrik serta gaya stokes.

Keywords : Muatan Elementer, Kecepatan Naik, Kecepatan turun

I. Pendahuluan

Percobaan milikan disebut sebagai percobaan oil-drop karena

dirancang untuk mengukur muatan listrik. Muatan listrik sebagai muatan

elementer dibawa oleh partikel yang dapat dihitung dengan mengukur gaya

yang bekerja pada partikel pada sebuah medan listrik yang diketahui

nilainya. Walaupun relative lebih mudah untuk menghasilkan medan listrik,

gaya yang bekerja oleh medan pada partikel pembawa muatan hanya satu

dari beberapa elektron yang sangat kecil. Sebagai contoh, 1,6 x 10-14 Newton

pada sebuah partikel berisi satu elektron. Gaya ini dibandingkan dengan

gaya gravitasi pada partikel dengan massa 10-12 gram.

Pada percobaan Milikan, minyak jatuh dengan percepatan tetapi

dengan adanya gaya gesekan sehingga kecepatan minyak tetap (kecepatan

termal). Jika kedua plat diberi tegangan, maka partikel (tetesan minyak)

yang merupakan partikel elektron (+) sedangkan yang bergerak kebawah

1

adalah proton (-). Tetesan yang mengalami ke atas dapat berupa gaya

stokes, gaya Archimedes, dan gaya gerak ke bawah. Selain itu juga

menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik pada

suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua plat konduktor.

II. Tujuan

Mempelajari cara menentukan muatan elementer.

III. Tinjauan Pustaka

Electron merupakan partikel dasar penyusun atom yang ditemukan

dengan menggunakan tabung kaca yang bertekanan sangat rendah yang

tersusun dari plat logam sebagai elektroda pada bagian ujung tabung.

Elektroda dengan kutub negative (katoda) dan elektroda dengan kutub

positive (anoda). Pada tahun 1868 – 1953 oleh Robert A Milikan melakukan

percobaan oil-drop untuk mengukur muatan listrik electron dengan

menyeimbangkan gaya gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes minyak

yang berada diantara dua plat elektroda.

Menentukan Hubungan Antara Kecepatan Tetes Minyak dan Medan

Listrik

Gambar 1.1 menunjukkan gaya yang bekerja pada tetesan Ff

ketika jatuh diudara dan mencapai kecepatan terminalnya.

Ff menggambarkan gaya gesek dan Fg menggambarkan

gaya yang diakibatkan oleh gravitasi. Dengan, Fg

Ff = -kVo Fg = -mg Gambar 1.1

Vo adalah kecepatan terminal dari benda jatuh (nilainya negative atau

konstan), k adalah koefisien gesek antara udara dan tetesan, m adalah

massa dari tetesan, dan g adalah percepatan gravitasi.

Ff + Fg = 0 -kVo + -mg = 0 -kVo = mg

Maka, k = -mg/ Vo …………………(1)

2

Gambar 2.2 menunjukkan gaya yang bekerja pada tetesan ketika gaya

meningkat dibawah pengaruh medan listrik.

Ff = -kv Fg = -mg Fe = qE Fe

E adalah medan listrik, q adalah muatan yang dibawa oleh

tetesan, dan v adalah kecepatan. Fg Ff

Kombinasi setelah dimasukkan rumus maka didapatkan

hasil, v = -qVo E + Vo ……..(2) Gambar 2.2

mg

Finding The Mass

Untuk menghitung nilai a, menggunakan Hukum Stoke yang

menyatakan hubungan antara jari-jari dari bentuk bola dengan

kecepatannya jatuh pada medium viscous, dengan koefisien

viscousitasŋ. Gaya Stokes merupakan gaya keatas, semua berada jauh

baik didalam air yang akan mengalami gaya keatas sehingga terjadi

penghambatan sampai kecepatan menjadi konstan.

a = √ −9ŋVt2 g(σ−ρ)

……………(3)

dengan, ŋ adalah viskositas udara (1,8680 x 10-5 Nsm-2), g adalah

gravitasi (9,80 m/s2), σ adalah rapat massa (886 kg/m3), ρ adalah rapat

massa udara (1,1896 kg/m2), dan Vt adalah kecepatan turun.

Hukum Stoke, bagaimanapun juga, menjadi kurang tepat ketika

kecepatan jatuh dari tetesan kurang dari 0,1 cm/s. (Tetesan mempunyai

ini dan kecepatan kecil dengan radius, pada skala 2 mikro,

dibandingkan dengan jarak bebas rata-rata molekul udara, kondisi yang

mematahkan asumsi dari Hukum Stoke).

Menentukan Muatan Elementer

Rumus untuk menentukan muatan elementer yang dibawa oleh tetesan

minyak secara praktek adalah :

3

q = -4/3 π d a3 σg [ √¿¿ )3 ] {(Vt + Vn) / (ΔV. Vt)}

keterangan : q = muatan yang dibawa oleh tetesan minyak (C)π = 3,14d = 0.01 ma = jari-jari tetapan ke-iσ = rapat massa (886 kg/m3)g = gravitasi (9,80 m/s2) b = 8,22 x 10-3 Pa.mp = tekanan atmosfer (101,1 x 103 Pa)

Jadi, pada percobaan ini elektron dapat bergerak keatas dan kebawah.

Gaya-gaya keatas dengan medan listrik yang terjadi pada percobaan ini

adalah : gaya berat karena setiap benda yang mempunyai massa pasti

mengalami gaya berat, gaya stokes, dan gaya listrik pada plat konduktor

diberi beda potensial (V).

IV. Pembahasan

Salah satu tujuan dari percobaan muatan elementer (tetes milikan) ini

adalah menentukan muatan elementer. Pada percobaan tetes minyak milikan

ini mencoba menganalisis tentang kecepatan naik dan kecepatan turun

dengan menggunakan milikan oil drop apparatus untuk mengetahui sifat

diskrit muatan elektron, menentukan muatan satuan elektron (e).

Percobaan pertama yang dilakukan adalah mengamati jarak dan waktu

tempuh turun dari minyak akibat adanya pengaruh gravitasi. Waktu pada

saat tetes minyak turun tidak beraturan sehingga data yang diperoleh

menunjukkan hasil yang tidak stabil. Dengan jarak yang digunakan pada

saat turun umumnya adalah 5x10-5 meter. Percepatan electron pada

kecepatan turun lebih kecil daripada kecepatan naik. Contoh data pertama :

V turun1 = 1,82 x 10-6 m/s

V naik 1 = 2,66 x 10-6 m/s

Pada percobaan kedua yaitu mengamati jarak dan waktu tempuh naik

pada minyak yang ditimbulkan karena adanya gaya stokes keatas. Dari hasil

4

pengamatan disimpulkan bahwa data yang diperoleh tidak begitu stabil

sehingga nilainya acak ada naik dan turun. Contoh data ke-10 yang

kecepatan naik besar dari kecepatan turun adalah :

V turun 10 = 4,43 x 10-6 m/s

V naik 10 = 96,10 x 10-6 m/s

Sedangkan, pada data ke-5 kecepatan turun besar daripada kecepatan naik :

V turun 5 = 7,87 x 10-6 m/s

V naik 5 = 3,85 x 10-6 m/s

Hal yang menyebabkan kecepatan naik lebih besar daripada kecepatan

turun karena dipengaruhi dari pemberian tegangan listrik setiap kecepatan

naik. Untuk memperoleh kecepatan keatas maka pada plat diberi beda

potensial sehingga tetes minyak mengalami gaya keatas (stokes) yang

dipercepat oleh adanya beda potensial.

Disaat mengamati gerakan naik – turun tetesan minyak, cenderung

bahwa gerakan turun tetesan lebih lambat di bandingkan gerakan naik

tetesan. Ini disebabkan karena kotak pengontrol di negatifkan, sehingga

gaya medan listrik menjadi sangat kuat, yang arahnya menuju keatas.

Sedangkan gaya berat dan gaya gesekan udara konstan. Maka dari itu,

kecepatan naik selalu lebih besar daripada kecepatan turunnya. Namun,

pratikan masih ada mendapatkan bahwa kecepatan turun ada yang lebih

besar dibandingkan kecepatan naiknya.

Dari hasil percobaan dan perhitungan muatan elementer atau elektron

memiliki sifat diskrit yaitu electron ada didalam bentuk paket-paket yang

disebut kuanta. Secara literatur nilai dari suatu muatan elementer adalah

1,67.10-19 C. Sedangkan dalam pratikum, pratikan mendapatkan nilai muatan

elementer adalah sebesar puluhan juta bilangan. Data ke 1 – 10 memiliki

muatan yang pangkatnya sama, namun kendalanya ada yang bertanda

negative.

5

Bisa dilihat pada table hasil pengamatan berikut :

Data ke-i Vti (m/s) Vni (m/s) ai (m) eni (C)

1 1,82 x 10-6 2,66 x 10-6 1,28 x 10-7 10696182,48 x 10-19

2 5,89 x 10-6 11,90 x 10-6 2,39 x 10-7 16087353,42 x 10-19

3 4,04 x 10-6 7,68 x 10-6 1,98 x 10-7 13434495,35 x 10-19

4 4,86 x 10-6 8,60 x 10-6 2,17 x 10-7 17080187,35 x 10-19

5 7,87 x 10-6 3,85 x 10-6 2,76 x 10-7 -19234407,39 x 10-19

6 4,03 x 10-6 62,10 x 10-6 1,98 x 10-7 4760952,381 x 10-19

7 17,80 x 10-6 14,50 x 10-6 1,98 x 10-7 -9269260,233 x 10-19

8 8,69 x 10-6 4,63 x 10-6 4,15 x 10-7 9337191,45 x 10-19

9 5,09 x 10-6 14,60 x 10-6 2,90 x 10-7 42991231,75 x 10-19

10 4,43 x 10-6 96,10 x 10-6 2,07 x 10-7 4860070,547 x 10-19

Tabel 1 : Tabel hasil perhitungan nilai kecepatan naik, turun, jari-jari

dan muatan elementer

Berikut ini adalah grafik e versus en, yaitu :

4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Grafik e vs en

en.10-25 C

e.10-19 C

Keterangan grafik : e = nilai muatan elementer secara teori.

en = nilai muatan elementer secara praktek.

6

Karena hasil dari pratikumnya, berupa bilangan yang sangat besar.

Maka skalanya dijadikan sedemikian. Dia berupa garis lurus, karena nilai

dari muatan elementer yang secara teorinya, hanya bernilai satu saja yaitu

1,6.10-19 C.

Dari eksperimen yang dilakukan bisa dikatakan ada sedikit

kendalanya karena pada saat akan mengamati elektron ada beberapa elektron

yang nampak sehingga untuk memilih satu elektron dibutuhkan ketelitian

yang sangat besar agar memperoleh nilai akurat dan waktu yang dibutuhkan

juga tepat sesuai dengan teorinya.

V. Penutup

Percepatan elektron pada kecepatan turun lebih kecil daripada

kecepatan naik. Kecepatan naik lebih besar dibandingkan kecepatan

turunnya, diakibatkan oleh kotak kontrol yang dinegatifkan, membuat

medan listrik menjadi kuat. Semakin lama kecepatannya semakin lambat

sehingga data yang diperoleh tidak begitu stabil baik kecepatan naik maupun

kecepatan turun minyak. Sehingga jari-jari pun menjadi besar. Karena antara

jari – jari sebanding dengan kecepatan turun tetesan. Semakin besar jari –

jari, semakin besar pula volume dari tetesan minyaknya, sehingga

kemungkinan untuk menangkap ionisasi dari radioaktif semakin besar.

Perhitungan muatan elementer atau elektron memiliki sifat diskrit yaitu

elektron ada didalam bentuk paket-paket yang disebut kuanta. Harga muatan

elektron menurut teori yaitu C, sedangkan hasil dari eksperimen untuk nilai

e berkisar 10-19 C.

Untuk praktikan selanjutnya disarankan agar sebelum melakukan

eksperimen untuk memahami dan mempelajari materi tentang apa yang akan

dilakukan pada saat eksperimen. Agar tidak terjadi kesalahan dalam

mengamati, sehingga dapat memperoleh nilai yang akurat dan sesuai dengan

teori. Selain itu alat-alat yang digunakan juga harus efisien agar tidak

menghambat jalannya pratikum

7

Daftar Kepustakaan

Muttaqin, Afdhal. 2011. Pedoman Fisika Eksperimen I. Padang : UNAND.

Paul, Tipler. 1998. Konsep Fisika Modern . Jakarta : Erlangga

http://id.wikipedia.org/wiki/ tetesan_milikan. Rabu. 28-09 -2011. 09.31 AM.

www.google.com_percobaan_tetes_milikan. Rabu. 28-09-2011. 09.31 AM.

8