Kamilap Corp.

BAB I PENDAHULUAN

1. Latar Belakang

Pada tahun 1906, J.J. Thomson menemukan besaran perbandingan antara muatan dan massa

elektron (muatan spesifik elektron). Elektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif

dan umumnya ditulis sebagai e-. Elektron tidak memiliki komponen dasar ataupun substruktur

apapun yang diketahui, sehingga ia dipercayai sebagai partikel elementer. Elektron memiliki

massa sekitar 1/1836 massa proton. Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui

setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thomson, yaitu dengan menggunakan peralatan

tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan Medan listrik dan Medan magnet. Dalam

percobaanya, Thomson menggunakan tabung sinar katoda yang dilengkapi listrik dan medan

magnet serta mempercepat sinar katoda melalui tegangan tinggi yang kemudian dikendalikan

dengan medan magnet yang dihsilkan oleh sepasang koil Helmholtz. Eksperimen ini didasarkan

pada eksperimen Thomson tersebut, yaitu hubungan perbandingan e dan m dapat diperoleh

dengan mengukur jari-jari sinar r pada setiap nilai arus I dengan beberapa nilai Tegangan V.

Nilai arus I berbanding terbalik dengan r.

Kumparan yang di aliri arus listrik menghasilkan medan magnet. Nilai arus (I), tegangan

elektroda (∆V), dan radius lintasan elektron (r) memiliki hubungan untuk dapat mencari harga

(e) pada electron dengan menggunakan perbandingan e/m. Hubungan antar ketiganya dapat

diketahui dari sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang

membuat electron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan

listrik antara katoda dengan anoda. Nilai e/m diperoleh dari hubungan kesetimbangan gaya

antara gaya magnet dan gaya sentripetal elektron melalui pendekatan gaya Lorentz.

2. Identifikasi Masalah

1) Apa hubungan antara tegangan katoda VA terhadap jari- jari (r) dengan arus tetap?

2) Apa hubungan antara arus kumparan pada coil Helmholt dengan kuat medan

magnet?

3) Berapa besar nilai muatan elektron?

4) Berapa nilai perbandingan e/m yang diperoleh pada praktikum?

3. Pembatasan Masalah

Pembatasan masalah pada praktikum ini adalah: mencari nilai muatan electron massa

(e/m) pada saat eksperimen dan membandingkanya dengan literatur.

4. Perumusan Masalah

Perumusan masalah pada praktikum ini ialah: “Bagaimana perbandingan nilai (e/m)

secara eksperimen dengan literatur?”

5. Tujuan Praktikum

a. Mengetahui hubungan antara tegangan katoda VA terhadap jari-jari dengan arus tetap

b. Mengetahui nilai massa untuk elektron

c. Mengetahui nilai muatan pada elektron

d. Mempelajari hubungan arus kumparan dengan kuat medan magnet

e. Mengetahui nilai e/m hasil praktikum

f. Mengetahui nilai e/m pada literature

6. Manfaat Hasil Praktikum

Dengan melakukan eksperimen ini, kami dapat mengetahui dan memahami sifat dan

karakteristik elektron sehingga dapat menunjang pengaplikasian lebih lanjut dari sifat-sifat

kelistrikan. Serta mengetahui perbandingan nilai e/m hasil praktikum dengan literature.

BAB II KAJIAN TEORI

Model Atom Thomson

Thomson menemukan besaran perbandingan antara muatan dan massa elektron (muatan

spesifik elektron) yang berkesimpulan bahwa electron merupakan partikel paling dasar dari setiap

materi. Thomson menyatakan bahwa atom mengandung banyak sekali elektron-elektron yang

bermuatan negatif. Karena atom bersifat netral, maka didalam atom terdapat muatan-muatan positif

yang menyeimbangkan elektron yang bermuatan negatif. Thomson membuat model bahwa atom

berbentuk bola padat dengan muatan-muatan listrik positif tersebar merata diseluruh bagian bola;

muatan-muatan positif ini dinetralkan oleh elektron-elektron bermuatan negatif yang melekat pada

bola segaram pada bola bermuatan positif. Kesimpulan tersebut di dapatkan dari percobaanya

menggunakan tabung sinar katoda.

Tabung sinar katoda adalah tabung hampa udara yang dibuat dengan memanfaatkan teknik

pevakuman Geisler yang dapat memancarkan elektron dalam bentuk sinar katoda sebagai sinar

hijau pucat ketika saklar dihubungkan. Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui

setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thomson.Sinar katoda merupakan berkas distribusi

elektron yang terbentuk didalam tabung sinar katoda. Tabung sinar katoda ini memiliki ruang yang

didalam tabungnya sangat vakum. Katoda sebelah kiri sangat ditinggikan temperaturnya dengan alat

pemanas, dan elektrón-elektronnya menguap dari permukaannya. Penguapan elektrón ini disebut

sinar katoda. Sinar-sinar katoda dipercepat melalui tegangan tinggi yang dikendalikan dengan

medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil yang disebut sebagai kumparan Helmholtz

yang digunakan untuk menghilangkan medan magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet

yang konstan dalam ruang yang sempit dan terbatas.

Prinsip yang digunakan Thomson dalam melakukan pengukuran ini adalah jika suatu

muatan elektron bergerak di dalam ruang yang berada di bawah pengaruh medan magnet atau

medan listrik maka muatan tersebut akan mengalami gaya sehingga pergerakan elektron akan

menyimpang. Adanya gejala fisis ini dipertimbangkan sebagai pergerakan muatan elektron didalam

medan magnet maupun medan listrik persis seperti partikel yang dilemparkan horizontal didalam

medan gravitasi bumi.

Gambar 1 : Skema Alat Eksperimen Thomson

Elektron yang dihasilkan oleh filamen (yang berlaku sebagai katoda), akibat proses

termoelektron, akan dipercepat ke arah anoda yang mempunyai beda tegangan (V) terhadap katoda.

Dari prinsip kekekalan energi, jika tidak ada usaha yang dikenakan pada elektron, maka elektron

tersebut akan mempunyai energi kinetik akibat tegangan (V), yang besarnya adalah :

1/2 m v2 = eV ................ (1)

dengan m adalah massa elektron, e adalah muatan elektron, v adalah kecepatan elektron dan V

adalah beda tegangan anoda–katoda, sehingga kecepatan elektron dapat ditulis sebagai :

v =√2eV /m ………….(2)

Orbit Elektron

Dari penemuannya ini J.J Thomson mengemukakan Hipotesis sebagai berikut : “Karena

elektron bermuatan negatif, sedangkan atom bermuatan listrik netral, maka haruslah dalam

atom ada muatan listrik positif, yang mengimbangi muatan elektron tersebut”.

Elektron tidak dapat diam, karena tidak ada sesuatu pun yang dapat memperthankanya

ditempat melawan gaya tarikan listrik dari inti. Namun, bila electron dalam keadaan gerak orbit

mantap dinamis sperti orbit planet mengelilingi matahari, dapat di skemakan seperti berikut:

Gambar 2. Elektron yang bergerak dalam medan magnet yang homogen

Gaya ini memaksa elektron bergerak dalam lintasan melingkar dengan jari-jari (r) dan

menghasilkan gaya sentripetal (Fs) :

.............................(3)

Pada kasus elektrom yang melewati medan listrik gaya cenderung menarik elektron

menuju pusat atom, sehingga hasilnya dapat memberantakan atom. Oleh karena itu, harus ada

gaya lain, yang melawan tarikan elektrik ini agar semua elektron dipertahankan tetap seimbang

pada jari-jari r. gaya tambahan ini dipasok oleh gaya tolak-menolak antara elektron sehingga

semua elektron tetap dalam kesetimbangan mantap. Elektron selanjutnya, melewati medan

listrik dan medan magnet yang saling tegak lurus sehingga lintasannya lurus. Pada keadaan ini

gaya listrik sama dengan gaya Lorentz.

= ( x ) …………………………… (4)

= sin 900 = ……………..(5)

eE=Bev .................... (6)

Gambar 3 . Diagram lintasan elektron dalam eksperimen penentuan muatan spesifik elektron

dengan lilitan Helmholtz.

Jika elektron tersebut bergerak di dalam medan magnet B, maka akan mengalami gaya Lorenz

sebesar :

F = evB .................(7)

Untuk elektron v ┴ B. Hal ini akan menyebabkan perubahan arah dari kecepatan elektron tanpa

merubah kelajuannya, sehingga elektron akan bergerak melingkar. Pada gerak melingkar ini besar

gaya sentripental sama dengan besar gaya medan magnet pada elektron tersebut , yaitu:

v (m/s), jari-jari R (m),

F lorentz = F sentrifugal

mv2 /r = evB …………….. (8)

evB=mv2

R

eB=mvR

Dari persamaan dapat diperoleh perbandingan muatan dan massa elektron, yaitu:

Lilitan Helmholtz

Dua buah kawat melingkar yang sesumbu, masing-masing terdiri dari N buah lilitan dan diberi arus

I yang searah.

Gambar 4. Lilitan Helmholtz

Jika titik P bearada di tengah-tengah kumparan (z = b), maka karena arusnya searah, induksi magnet

di titik P sama dengan nol.

em

= 2 V

R2B2

θcosxR

ds

π4

Iμ

θcosxR

ds

π4

Iμ

θcos

22o

22o

dB

dB

dBdB x

21

2222

o

xR

R

xR

ds

π4

Iμ

dB

Dapat dilihat arah dB yang terbentuk dapat didefinisikan menjadi dB sinθ yang arahnya tegak

lurus arah X, dan dB cosθ yang arahnya sejajar arah X. Untuk setiap ds, maka dB sinθ yang

terbentuk akan saling meniadakan. Sehingga yang tersisa hanya dB pada arah cosθ. Jadi,

Seperti yang kita tahu jumlah elemen ds adalah keliling lingkaran kumparan sehingga ∫ds=2πR.

Jika kawat berarus tersebut memiliki panjang X=1/2R serta banyaknya lilitan kumparan

sebanyak 130 lilitan, maka besar medan magnet:

B=μo⋅I⋅R

4⋅π⋅( R2+x2)3

2

⋅ds

B=μo⋅I⋅R2

2⋅( R2+x2)3

2

B=μo⋅I⋅R2⋅8

2⋅53

2⋅R

⋅N

Kumparan yang digunakan ada 2 buah sehingga besar medan magnet yang terbentuk juga

dikali 2, menjadi:

Untuk praktikum kali ini alat yang digunakan terdiri dari 2 kumparan yang memiliki 130

lilitan dengan jari-jari sebesar 15 cm. Dibagian tengah dari kumparan terdapat tabung berbentuk

bola yang nantinya merupakan tempat terbentuknya berkas elektron setelah kumparan dialiri arus

listrik. Berikut adalah gambar dari alat yang digunakan dalam percobaan ini.

Gambar 4. skema alat eksperimen e/m

B=μo⋅N⋅I⋅8

53

2⋅R

BAB III METODOLOGI PRAKTIKUM

1. Alat dan bahan

Tabung vakum penghasil berkas elektron

Kumparan Helmholtz

Alat pengukur medan magnet (Teslameter)

Sensor pengukur medan magnet (Tangensial field probe)

Multimeter

Catudaya untuk kumparan Helmholtz

Catudaya 220Vac

2. Langkah – langkah praktikum dan prosedur

1) Mengukur Diameter Berkas Elektron:

a. Menyusun perlatan sperti gambar di bawah:

b. Memasang catu daya untuk tabung, dan menaikan tegangan VA secara perlahan-

lahan sampai 280 V

c. Setelah katoda menjadi panas dan berkas electron terbentuk , maka selanjutnya

adalah mengatur berkas dengan cara mengubah- ubah tegangan dalam selinder

wehnelt agar terbentuk suatu berkas sempit dan tajam tanpa pinggir-pinggir yang

baur.

d. Menyalakan catu daya untuk kumparan Helmholtz dan mengatur arus sedemikian

rupa sehingga berkas electron membentuk suatu lingkaran tertutup (garis tengah

kira-kira 8 cm)

e. Gerakan sekat sehingga lingkaran berkas electron berada dalam suatu garis yang

dapat dilihat oleh cermin yang ada dibelkang tabung.

f. Mengukur diameter berkas electron dengan mengurangi tegangan anoda VA

setiap 20 V dan 280 V sampai 120 V dengan arus tetap.

2) Mengukur Medan Magnet:

a. Mematikan seluruh catu daya pada rangkaian

b. Melepaskan hubungan kabel dan tabung vakum

c. Melepaskan salah satu kumparan Helmholtz

d. Memasang kembali salah satu kumparan Helmholtz

e. Mengukur nilai kuat medan magnet terhadap arus

3. Metode pengumpulan data

Metode pengumpulan data yang digunakan pada penelitian ini ialah dengan observasi.

Pengumpulan data secara observasi dilakukan dengan mengamati diameter elektron.

4. Jenis data yang di ukur dan diamati

Jenis data yang di ukur adalah diameter berkas electron, nilai kuat medan magnet terhadap

arus.

5. Table Data

Mengukur Diameter Berkas Elektron:

Mengukur Medan Magnet:

6. Teknik analisis

Teknik analisis data yang digunakan pada praktikum ini ialah dengan menggunakan

perhitungan. Berdasarkan pengamatan didapatkan diameter elektron dan besar kuat medan

magnet, dari data tersebut didapatkan nilai (e/m) yang nantinya dibandingkan secara teori.

Adapun persamaan yang digunakan yaitu:

em

= 2V

( Br )2

No Arus (ampere) Medan magnet (Tesla)

1

2

3

4

5