LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.id · PDF fileEksperimen e/m Fisika...
Transcript of LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I - web.unair.ac.id · PDF fileEksperimen e/m Fisika...
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 1
LAPORAN
FISIKA EKSPERIMENTAL I
Eksperimen e/m Elektron
Pelaksanaan Praktikum
Hari : Rabu Tanggal: 7 April 2014 Jam : 10.40 – 12.20
Oleh :
Nama : Novi Tri Nugraheni
NIM : 081211333009
Anggota Kelompok :
1. Muhimatul Fadlilah A. NIM : 081211331130
2. Khoirotun Nisa NIM : 081211332007
3. Puspita Ningtiyas NIM : 081211332001
4. Ratna Yulia Sari NIM : 081211332002
Dosen Pembimbing : Andi Hamim Zaidan, S.Si, M.Si, P.hD.
LABORATORIUM FISIKA MODERN
UNIVERSITAS AIRLANGGA
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 2
Eksperimen e/m
Novi Tri Nugraheni1, Muhimatul Fadlilah A.
2,Khoirotun Nisa
3, Puspita Ningtiyas
4, Ratna Yulia Sari
5
Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga
Jl.Mulyorejo Kmapus C Unair, Surabaya 60115
Email: [email protected]
Abstrak, Eksperimen sinar katoda dilakukan oleh fisikawan bernama J.J Thomson,dia membuktikan bahwa
sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif.Eksperimen ini dilakukan untuk mengetahui
hubungan antara radius berkas elektron (r) dengan beda tegangan elektroda pemercepat (∆v) pada masing-
masing harga arus (I), serta untuk mengetahui perbandingan muatan dan massa elektron (e/m). Dari hasil
eksperimen didapatkan nilai beda tegangan ( V ) berbanding lurus dengan jari-jari lintasan berkas elektrón
(r) untuk setiap nilai arus (I),dimana nilai beda potensial semakin besar maka nilai radius berkas elektron
juga bertambah besar.Nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil
helmholtz,yaitu semakin besar nilai arus listrik maka nilai radius berkas elektron bertambah
kecil.Perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan sudah mendekati harga e/m acuan yang
pernah dilakukan oleh J. J. Thompson. Dari hasil pengamatan dapat diketahui bahwa diameter lintasan
elektron berbanding lurus dengan tegangan (V) dan berbanding terbalik dengan arus listrik (I). Hasil rasio
e/m dari hasil perhitungan sehingga menimbulkan kesalahan relatif
hingga 42,14 %
Kata Kunci : Elektron, e/m, medan magnet
1. Pendahuluan
Percobaan e/m adalah percobaan yang dilakukan oleh seorang fisikawan bernama Joseph
Thompson. Tujuan utama daripada Joseph Thompson melakukan percobaan ini adalah
membuktikan apakah ada partikel lain yang lebih kecil daripada atom dan nantinya kelak akan
disebut dengan elektron (corpuscles).
Alat uji yang digunakan oleh Joseph Thompson didalam menentukan rasio atau
perbandingan antara muatan yang dikandung oleh elektron terhadap massanya (e/m) adalah
menggunakan tabung sinar katoda. Didalam tabung ini terdapat dua buah elektroda yang kita
sebut sebagai anoda (elektrode positif) dan katoda itu sendiri (elektrode negatif). Ketika kedua
elektroda ini dipasang pada suatu tegangan tertentu, maka elektron atom yang menyusun
katoda akan tereksitasi. Elektron yang tereksitasi tersebut kemudian dibelokkan dengan
menggunakan suatu medan magnetik dengan kekuatan tertentu. Sehingga elektron tersebut
akan mulai mengikuti suatu lintasan melingkar dengan jejari tertentu.
Dengan menggunakan persamaan – persamaan yang terkait dengan menggunakan rasio
e/m maka dengan data jari – jari dan medan listrik yang digunakan maka dapat ditentukan
nilai dari rasio tersebut.
2. Dasar Teori
Elektron merupakan salah satu penemuan penting yang dapat menjelaskan berbagai
fenomena fisika,salah satunya adalah gejala kelistrikan dan kemagnetan.Pada awalnya
elektron sangat sulit ditemukan,setelah melalui beberapa eksperimen, akhirnya seorang
fisikawan yang benama Sir Joseph John Thomson (1856-1940) pada tahun 1897
membuktikan percobaan meyakinkan bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel
bermuatan negatif.
Dalam percobaannya, Thomson menemukan bahwa sinar katoda yang terdiri dari
partikel-partikel negatif ini disebut dengan elektron.Katoda yang bbermuatan negatif
memancarkan elektron yang dipercepat oleh penarikan anoda yang bermuatan positif.
Suatu elektron dengan kecepatan tinggi yang dipancarkan dari katoda pada sebuah
tabung dalam keadaan vakum disebut dengan sinar katoda.Dengan menggunakan tegangan
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 3
yang sangat tinggi sinar-sinar katoda ini akan dipercepat dan dikendalikan oleh medan
magnet.Apabila elektron bergerak dengan arah tegak lurus terhadap arah medan magnet,maka
elektron tersebut akan membelok sebagai busur lingkaran.Hal tersebut diakibatkan oleh
timbulnya gaya magnetik.
Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah percobaan yang
dilakukan oleh J.J. Thompson tersebut, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar
katoda yang dilengkapi dengan Medan listrik dan Medan magnet. Harga (e) dapat didekati
dengan harga perbandingan (e/m) yang diperoleh dari hubungan antara nilai arus (I), tegangan
elektroda (∆V), dan radius lintasan elektron (r). Hubungan antar ketiganya dapat diketahui
dari sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat
elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik
antara katoda dengan anoda.
Jika sebuah elektron bermassa m dan bermuatan e dipercepat dalam beda potensial V,
maka elektron akan memiiliki energi kinetik sebesar . Bila kemudian elektron
berkecepatan maka energi kinetik tersebut dapat dinyatakan sebagai :
Didalam medan magnet , elektron tersebut akan mengalami gaya magnetik (gaya
lorentz) sebesar
( )
Untuk medan magnetik yang seragam dan arah kecepatan elektron tegak lurus terhada
medan magnet, elektron akan memiliki lintasan berbentuk lingkaran. Hal ini diakibatkan dari
perubahan arah kecepatanelektron tanpa mengubah kelajuannya yang disebabkan oleh gaya
sentripetal. Besarnya gaya sentripetal itu dirumuskan didalam :
dengan r adalah jejari lintasan lingkaran elektron.
Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripetal sama dengan besar gaya medan magnet
(Gaya Lorentz) elektron tersebut yaitu :
Dengan mensubsitusikan persamaan diatas dengan persamaan energi kinetik elektron
yang dipercepat maka akan didapatkan :
Medan magnet yang digunakan didalam percobaan ini adalah kumparan Helmholtz
(Kumparan yang memiliki jejari R sama dengan jarak kedua kumparan yang dialiri arus
listrik). Bila jumlah kawat lilitan kumparan Helmholtz adalah n, maka dengan menggunakan
persamaan Maxwell pertama dan keempat dapat ditentukan besarnya medan magnet yang
dihasilkan yaitu :
(
)
dengan adalah permeabilitas ruang hampa.
Gambar 1.1 Partikel bermuatan yang
bergerak dengan kecepatan dalam medan magnet
akan mengalami gaya Lorentz .
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 4
3. Alat dan Bahan
Pada percobaan ini akan digunakan beberapa macam peralatan yaitu :
Sistem peralatan e/m
Power Supplay
Sumber daya tegangan dan arus
Multimeter
Banana cables
4. Prosedur Percobaan
Eksperimen Pengukuran Jejari Lintasan Elektron r konstan dengan variasi I = f(VA)
1) Pertama adalah membuat rangkaian percobaan seperti pada gambar dibawah ini
2) Buat rangkaian seperti pada gambar dibawah:
Gambar 1.2 Rangkaian percobaan e/m
3) Kemudian set tegangan anoda VA pada 300 volt dengan cara mengatur tombol tegangan.
Bila katode telah panas dan berkas elektron telah terbentuk, maka ketajamannya dapat
diatur dengan sekunder wehnelt (tombol c) dan pengaliran arus I yang tepat. Bila lintasan
elektron berupa heliks, putarlah tabung perlahan – lahan sedemikian hingga diperoleh
lintasan elektron berupa lingkaran.
4) Setelah itu atur posisi slide pada lintasan lingkaran elektron yang dalam dan buatlah
diameter lingkaran tersebut hingga 2r = 8 cm.
5) Variasikan tegangan anoda (VA) dari 300 V hingga 200 V dengan interval penurunan 10
V. Kemudian perubahan arus I yang harus dialirkan pada setiap interval tersebut dicatat,
sedemikian hingga diameter lingkaran tepat 8 cm.
Eksperimen Kalibrasi Medan Magnet B = f (I)
1) Kabel – kabel yang ada pada eksperimen seperti gambar diatas dilepaskan dan kemudian
tabung sinar katodanya juga ikut dilepas
2) Setelah itu dapat dibuat rangkaian percobaan tanpa menggunakan tabung dan hanya ada
kumparan Helmholtz dan dimaksudkan untuk mengukur medan magnetik yang dihasilkan
3) Setelah rangkian selesai dibuat maka arus dialirkan ke Kumparan Helmholtz tersebut
antara 0 hingga 3 A dengan interval 0,5 A dan diukur fluks magnetnya (B) setiap interval
kenaikan arus yang dialirkan
Eksperimen Menentukan Rasio e/m
1) Dalam menentukan rasio e/m, dapat dibuat terlebih dahulu kurva kalibrasi B = f (I) seperti
pada gambar dalam modul dan ditentukan gradiennya
2) Setelah itu menentukan nilai fluks magnetik (B) dari percobaan sebelumnya dengan
menggunakan B = k1 I dan selanjutnya dihitung B2
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 5
3) Kemudian dibuat grafik VA = f(B2) seperti pada gambar dalam modul dan juga tentukan
gradiennya k2 =
4) Setelah itu dapat ditentukan nilai e/m nya dengan
( dan kemudian dibandingkan
hasilnya dengan referensi yaitu (
)
6. Data Hasil Eksperimen
Dari percobaan yang dilakukan, dapat diperoleh tabel pengamatan sebagai berikut :
No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere)
No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere)
1. 200,3 V 1,233 A 1. 300,2 V 1,488 A
2. 210,5 V 1,261 A 2. 290,5 V 1,471 A
3. 220,4 V 1,293 A 3. 280,4 V 1,461 A
4. 230,2 V 1,313 A 4. 270,4 V 1,451 A
5. 240,4 V 1,322 A 5. 260,3 V 1,418 A
6. 250,4 V 1,341 A 6. 250,5 V 1,348 A
7. 260,0 V 1,384 A 7. 240,5 V 1,333 A
8. 270,4 V 1,397 A 8. 230,0 V 1,294 A
9. 280,4 V 1,424 A 9. 220,3 V 1,286 A
10. 290,4 V 1,447 A 10. 210,5 V 1,253 A
11. 300,2 V 1,488 A 11. 200,4 V 1,230 A
7. Hasil Analisis dan Pembahasan
Pada eksperimen ini membahas tentang eksperimen sinar katoda (e/m) dengan tujuan
untuk mengetahui hubungan antara berkas radius elektron (r) dengan beda tegangan ellektroda
pemercepat (∆V) pada masing-masing harga arus (I) dalam grafik, serta untuk mengetahui
perbandingan massa dan muatan elektron(e/m) baik secara teori maupun hasil perhitungan.
Langkah pertama yang dilakukan dalam eksperimen sinar katoda (e/m) adalah
melakukan penngamatan dimana nilai arus listrik pada coil helmholtz bernilai tetap yaitu
1A,dengan nilai variabel beda potensial diubah dan kemudian diperbesar.Nilainya dimulai
dari 100 volt sampai 150 volt dengan masing-masing dilakukan tiga kali pengulangan
pengukuran.Dari hasil pengukuran didapatkan nilai radius berkas elektron bertambah besar.
Dengan demikian dapat diketahui bahwa nilai beda potensial berbanding lurus dengan radius
lintasan berkas elektron yang terbentuk.Hal tersebut dapat terjadi karena percepatan elektron
gun pada lintasan linier
Langkah selanjutnya adalah dilakukan pengamatan dimana nilai beda potensial (V)
dianggap sebagai variabel terkontrolnya,sedangkan nilai arus (I) dirubah dan kemudian
diperbesar, dengan masing-masing dilakukan dua kali pengulangan pengukuran. Dari hasil
pengukuran didapatkan bahwa radius lintasan elektron cenderung semakin mengecil. Dengan
demikian diketahui bahwa semakin besar nilai arus listrik, maka besar medan magnet (B)
yang dibangkikan oleh koil Helmhotz juga akan semakin besar. Sehingga dapat disimpulkan
bahwa nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil
helmhotz.
Pada eksperimen yang dilakukan berkas lintasan elektron berbentuk melingkar.Bentuk
melingkar ini terjadi karena adanya pengaruh medan magnet (B) yang dibangkitkan oleh
sebuah coil helmholtz.Elektron yang dilepaskan oleh elektron gun ditarik oleh beda potensial
yang mengakibatkan adanya pergeseran lintasan dari linier menjadi melingkar.
Hasil dari pada percobaan, penentuan kalibrasi medan magnetik, diperoleh secara
perhitungan teoritis (matematis) bahwa gradien k1 adalah dan sedangkan untuk nilai
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 6
e/m diperoleh sekitar sehingga menimbulkan kesalahan
relatif hingga 42,14 %. Timbulnya nilai rasio e/m ini jelas tidak sesuai dengan hasil
literatur atau referensi yaitu 1,7588 x 1011
C/kg. Hal tersebut disebabkan karena
mungkin adanya kesalahan paralaks (kesalahan pengelihatan) saat melakukan
pembacaan diameter lingkaran dengan menggunakan mistar sebab berada didalam
sebuah kotak hitam pada set praktikum dan mungkin juga disebabkan terjadinya
kesalahan pada proses kalibrasi medan magnetik sebab tidak melakukan kalibrasi
menurut prosedur yaitu tidak melepas kabel-kabel dan tabung katoda, praktikan juga
tidak membuat rangkaian percobaan tanpa menggunakan tabung dan hanya ada
kumparan Helmholtz yang dimaksudkan untuk mengukur medan magnetik yang
dihasilkan.
8. Kesimpulan
Dari percobaan atau eksperimen e/m yang dilakukan, diperoleh nilai e/m sebesar
sehingga menimbulkan kesalahan relatif hingga 42,14
%Eksperimen ini cenderung salah karena tidak dilakukannya prosedur pengukuran kalibrasi
medan magnetik secara eksperimen melainkan diperoleh secara teori, maka nilai e/m
cenderung bersifat konstan dan dari eksperimen ini juga dapat dipelajari sifat medan magnet
yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz dan dapat menentukan nilai e/m dengan
menggunakan medan magnetik.
Referensi
[1] Beiser,Arthur.,1987,Konsep Fisika Modern, 4nd
ed, Erlangga Jakarta. [2] Krane, Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia
Nikhsolihin, Jakarta: Penerbit UI
[3] Zaidan,A,2009, Pengantar Fisika Modern, tidak di publukasikan,departemen
fisika,universitas Airlangga
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 7
LAMPIRAN I
ANALISIS PERHITUNGAN
1. Tabel pengamatan Tegangan (Vg) dan Kuat Arus (Ia)
No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere) No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere)
1. 200,3 V 1,233 A 1. 300,2 V 1,488 A
2. 210,5 V 1,261 A 2. 290,5 V 1,471 A
3. 220,4 V 1,293 A 3. 280,4 V 1,461 A
4. 230,2 V 1,313 A 4. 270,4 V 1,451 A
5. 240,4 V 1,322 A 5. 260,3 V 1,418 A
6. 250,4 V 1,341 A 6. 250,5 V 1,348 A
7. 260,0 V 1,384 A 7. 240,5 V 1,333 A
8. 270,4 V 1,397 A 8. 230,0 V 1,294 A
9. 280,4 V 1,424 A 9. 220,3 V 1,286 A
10. 290,4 V 1,447 A 10. 210,5 V 1,253 A
11. 300,2 V 1,488 A 11. 200,4 V 1,230 A
2. Tabel pengamatan tegangan rata-rata dan kuat arus rata-rata :
No Tegangan (Volt) Kuat Arus (Ampere)
1. 200,35 V 1,2315 A
2. 210,50 V 1,2570 A
3. 220,35 V 1,2895 A
4. 230,10 V 1,3035 A
5. 240,45 V 1,3275 A
6. 250,45 V 1,3445 A
7. 260,15 V 1,3401 A
8. 270,40 V 1,424 A
9. 280,40 V 1,4425 A
10. 290,45 V 1,459 A
11. 300,20 V 1,488 A
Dari data pengamatan di atas kita dapat menentukan besarnya medan magnet dengan rumus sebagai
berikut:
B = (
)
Dengan Vs/Am, n = 130, R = 150 mm = 0,15 m.
(
Dengan K1 adalah regresi grafik hubungan antara B dengan I.
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 8
3. Tabel untuk kurva kalibrasi B = f (I)
No I (Arus) B(Medan Magnet)
1 1,2315 Ampere 0,000959
2 1,257 Ampere 0,000979
3 1,2895 Ampere 0,001004
4 1,3035 Ampere 0,001015
5 1,3275 Ampere 0,001034
6 1,3445 Ampere 0,001047
7 1,401 Ampere 0,001091
8 1,424 Ampere 0,001109
9 1,4425 Ampere 0,0011235
10 1,459 Ampere 0,001136
11 1,488 Ampere 0,0011589
Dari grafik tersebut di peroleh nilai K1 sebesar 2
y = 2E-05x + 0.0009
R² = 0.9897
0
0.0002
0.0004
0.0006
0.0008
0.001
0.0012
0.0014
0 5 10 15
Med
an
Magn
et (
B)
Kuat Arus (I)
Kurfa Kalibrasi B = f (I)
B(Medan Magnet)
Linear (B(Medan
Magnet))
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 9
4. Tabel nilai Fluks Magnetik (B), dengan menggunakan B = K1I
B (Medan Magnet) (
0,000959 9,19681E-07
0,000979 9,58441E-07
0,001004 1,00802E-06
0,001015 1,03023E-06
0,001034 1,06916E-06
0,001047 1,09621E-06
0,001091 1,19028E-06
0,001109 1,22988E-06
0,0011235 1,26225E-06
0,001136 1,2905E-06
0,0011589 1,34305E-06
5. Tabel grafik VA = f ( )
No V (Tegangan) (
1 200,35 9,19681E-07
2 210,5 9,58441E-07
3 220,35 1,00802E-06
4 230,1 1,03023E-06
5 240,45 1,06916E-06
6 250,45 1,09621E-06
7 260,15 1,19028E-06
8 270,4 1,22988E-06
9 280,4 1,26225E-06
10 290,45 1,2905E-06
11 300,2 1,34305E-06
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 10
Dari grafik tersebut di peroleh nilai K2 sebesar 2
6. Menentukan nilai e/m dan presentase kesalahannya
Dimana diameter lintasan sebesar 8 cm, sehingga jari-jari lintasan sebesar 4 cm = 0,04 m
=
= (
(
= (
=
Sehingga presentase kesalahan sebesar:
% e/m =
=
= 42,14 %
No
√ X Y XY
I (A) (A) V (volt) I2V
1 1,2315 1,51659 200,35 2,30005 40.140,1225 303,849
2 1,257 1,58005 210,5 2,49655 44.310,25 332,6
3 1,2895 1,66281 220,35 2,76494 48.554,1225 336,4
4 1,3035 1,69911 230,1 2,88698 52.946,01 390,966
y = 2E+08x - 8.8255
R² = 0.9887
0
50
100
150
200
250
300
350
0 0.0000005 0.000001 0.0000015
Teg
an
gan
(V
)
Medan Magnet
Grafik VA = f (B²)
V (Tegangan)
Linear (V (Tegangan))
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 11
5 1,3275 1,76226 240,45 3,10555 57.816,2025 423,735
6 1,3445 1,80768 250,45 3,26771 62.726,2025 452,734
7 1,401 1,9628 260,15 3,85259 67.678,0225 510,623
8 1,424 2,02778 270,4 4,11188 73.116,16 548,311
9 1,4425 2,08081 280,4 4,32975 78.624,16 583,458
10 1,459 2,12868 290,45 4,53128 84.361,2025 618,275
11 1,488 2,21414 300,2 4,90243 90.120,04 664,686
𝛴 13,968 20,44258 2753,8 38,54971 637.666,2925 5.138,637
Menghitung nialai k:
K ∑ ∑ ∑
∑ (∑
( ( (
( (
37,449
Menghitung Simpangan y (Sy)
S
*𝛴
(∑ ∑ ∑( ∑ (∑
∑ (∑ +
S
*
( ( ( ( ( (
( ( +
S
*
( ( )
( ( +
S
*
(
( +
S
[ ]
S
[ ]
= 2,394170503
Sy = 489.302,6
Menghitung simpangan baku dalam k (Sk)
Sk =√
∑ (∑
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 12
Sk =√
( (
Sk =√
Sk =√
Sk = √
Sk = 654.510,1
Nilai rasio e/m berdasarkan perhitungan pada percobaan ini adalah As
Ketidakpastian e/m
(
) √(
(
)
)
( (
)
)
(
)
√
(
( (
)
(
)
)
)
(
((
)
(
)
)
)
(
)
(
) √( (
)
(
)
)
(( (
)
(
)
)
(
(
)
√( (
)
( (
)
( )
( (( (
)
( (
)
( )
(
(
) √
(
)
Jadi nilai
adalah
(
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 13
LAMPIRAN II
ALAT PERCOBAAN DAN LAPORAN SEMENTARA
Eksperimen e/m Elektron [Fisika Unair]
Laboratorium Fisika Radiasi Universitas Airlangga 14