LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I Mengukur Jari...

JURNAL FISIKA EKSPERIMENTAL I

1

LAPORAN

FISIKA EKSPERIMENTAL I Mengukur Jari – Jari Tetes Minyak dan Muatan Listrik Elektron Dengan Eksperimen

Tetes Minyak Milikan

_________________________________________________________________

Pelaksanaan Praktikum

Hari : Rabu Tanggal: 26 Maret 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. Ratna Yulia Sari Nim : 081211332002

Dosen Pembimbing : Andi Hamim Zaidan, S.Si, M.Si, P.hD.

LABORATORIUM FISIKA MODERN

UNIVERSITAS AIRLANGGA

2

EKSPERIMEN TETES MINYAK MILIKAN

Novi Tri Nugraheni1,2

, Muhimatul Fadlilah Arfianda1, Puspita Ningtiyas

2, Ratna Yulia Sari

3

1Author Address Jurusan Fisika Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Airlangga

Jalan Mulyorejo Kampus C Unair, Surabaya 60115

Email: [email protected]

Abstrak. Salah satu konstanta penting dalam fisika adalah nilai muatan listrik yang dibawa oleh sebuah

elektron. Eksperimen Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan jari-jari dan muatan listrik tetesan minyak

serta muatan listrik dari elektron. Eksperimen ini dilakukan dengan cara menyemprotkan minyak kedalam plat sejajar

Milikan lalu amati satu butiran minyak dengan mikroskop, catat waktu naik dan waktu turun butiran selama 3 kali putara.

Kita juga mengukur tegangan saat butiran tepat diam. Setelah itu mencari kecepatan untuk mencari jari-jari dan muatan

elektron. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan jari-jari tetes minyak pertama ( ) . Dan untuk minyak kedua r = ( ) Jumlah muatan pada metode I dengan tetes

minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 1.32 x 10 -19

C dan 1.11 x 10 -19

C. Sedangkan jumlah muatan pada

metode II dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 24.9 x 10 -19

C dan 19.9 x 10 -19

C. Muatan

electron berdasarkan metode pertama dengan tetes minyak pertama dan kedua adalah 1.156 x 10 -19

C dan 0.927 x 10 -19

C. Sedangkan dengan metode II yaitu 21.8 x 10 -19

C dan 17.4 x 10 -19

C. Keywords: Elektron, Jari-jari tetes minyak, muatan electron, medan listrik, gaya gravitasi.

1 Pendahuluan

Elektron adalah suatu dasar penyusun atom yang bermuatan neagtif. Pengukuran muatan elektron

dilakukan oleh ilmuwan fisika Robert A. Milikan (1869 – 1953) dengan melakukan eksperimen 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. Pengukuran yang dilakukan R. Milikan mampu mendapatkan nilai

muatan untuk 1-150 ion. Pengukuran muatan listrik elektron oleh milikan adalah dengan menyemprotkan

minyak paraffin ke ruang antar plat sejajar Milikan dan mengamati gerakan tetes minyak dengan mikroskop.

Dengan mikroskop dapat diamati dan diukur kecepatan vertical tetes minyak tersebut. Setiap satu skala yang

terlihat pada lensa okuler mikroskop dikonversi ke meter.

Ketika tidak ada medan listrik E dalam dua keeping sejajar. Tetes minyak jatuh ke 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 adalah:

Gaya gravitasi yakni gaya ke bawah yang dialami tetes minyak

(1)

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

(2)

Gaya Archimedes, yakni gaya dengan arah ke atas

(3)

dengan , , , , , masing-masing merupakan massa tetes minyak, massa udaradengan volum sama

dengan tetes minyak, viskositas udara, jari-jari tetes minyak, dan kecepatan gerak tetes minyak ke bawah. Dari

ketiga gaya tersebut didapat resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak yang memenuhi:

(4)

Bila , maka persamaan (4) dapat ditulis menjadi:

3

(5)

dengan merupakan berat tetes minyak setelah dikurangi oleh gaya Archimedes. Bila ,

dengan , , adalah rapat minyak tetes minyak dan rapat massa udara, maka dengan mengganti

akan diperoleh resultan gaya tetes minyak :

atau √

(6)

Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian hingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan

. Bila tegangan antar plat U dan jarak antar kedua plat adalah d, maka

dan gaya yang bekerja pada

tetes minyak tersebut adalah:

(7)

atau

(8)

Untuk tetes minyak yang melayang diantara plat sejajar karena pengaruh medan listrik E, maka persamaan (8)

menjadi:

(9)

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

menentukan muatan electron:

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

tetes minyak diam diantara dua plat sejajar. Formulasi metode ini dapat dilakukan dengan subtitusi

persamaan (6) dan persamaan (9), sehingga diperoleh:

√

(10)

dengan

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

tegangan tentu . Formulasi metode ini dilakukan dengan subtitusi persamaan (6) ke dalam persamaan (8)

sehingga diperoleh:

( )√

√ (11)

Lalu nilai yang diperoleh dari kedua persamaan di atas digunakan untuk menghitung banyak butiran

dengan rumus:

dengan nilai (12)

Muatan electron merupakan muatan diskrit ( terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari

muatan dasar ( )

2 Metode Jenis praktikum tetes minyak milikan ini yakni kuantitatif. Hal ini dikarenakan output data yang

dihasilkan berupa nilai waktu tetes minyak naik turun akibat pengaruh medan listrik yang didasari variasi

tegangan sehingga nantinya digunakan untuk mencari nilai jari-jari butiran minyak serta muatannya.

Pada percobaan ini yang diukur adalah waktu tempuh butiran untuk naik dari posisi tengah sebagai titik acuan

sampai batas atas serta waktu tempuh untuk turun dari posisi batas atas kembali ke posisi semula. Sehingga

nantinya akan didapatkan kecepatan yang nantinya digunakan untuk mencari nilai jari-jari butiran minyak

serta muatan minyak dan elektronnya.

Percobaan ini dilakukan dengan cara disiapkan alat dan bahan diantaranya mikroskop, sprayer,

minyak paraffin, sumber cahaya, powes supply, stop watch dan system peralatan Milikan.

4

Gambar Eksperimen Tetes Milikan

Langkah percobaan yaitu :

1. Menyemprotkan minyak ke dalam plat sejajarMilikan dengan cara menyemprotkan 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 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.

3 Hasil dan Pembahasan

Eksperimen Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan

menentukan nilai muatan butiran minyak tersebut. Pada eksperimen ini terjadi 2 pergerakan butiran minyak

parafin yaitu pergerakan ke atas dan pergerakan ke bawah. Saat butiran minyak bergerak ke atas, butiran

minyak tersebut hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi sedangkan pada saat butiran minyak mencapai batas

garis atas, untuk membelokkan pergerakan minyak, pengamat perlu menekan tobol switch pembalik pada

mikroskop untuk memberikan tegangan diantara kedua plat sehingga timbul medan listrik yang dapat

membelokkan pergerakan butiran minyak dari batas atas menuju batas tengah. Sehingga pada gerak

pembelokan tetes minyak dari batas atas menuju batas tengah selain dipengaruhi oleh gaya gravitasi,

pergerakan tetes minyak juga dipengaruhi oleh medan listrik yang ditimbulkan oleh adanya tegangan listrik

diantara kedua plat. Jadi ketika pergerakan tetes minyak yang diamati oleh pengamat dengan menggunakan

mikroskop bergerak keatas, pada keadaan yang sebenarnya justru sebaliknya. Tetes minyak tersebut bergerak

kebawah karena gaya gravitasi dengan arah ke bawah yang mempengaruhi pergerakannya. Begitu pula

sebaliknya, ketika pengamat mengamati pergerakan tetes minyak melalui mikroskop bergerak ke bawah, pada

kenyataannya pergerakan tetes minyak tersebut bergerak ke atas melawan gaya tarik gravitasi yang berarah ke

bawah karena adanya medan listrik yang diberikan oleh pengamat.

Pada eksperimen ini data yang akan didapatkan adalah data waktu yang diperlukan oleh tetes minyak

parafin untuk menempuh batas atas dan batas bawah.. Berdasarkan data hasil pengamatan, terdapat selisih

waktu nilai tetes minyak dari batas bawah ke batas atas (naik) dan batas atas ke batas bawah (turun). Dimana

waktu tempuh tetes minyak dari atas ke bawah memiliki waktu yang cukup singkat dari pada waktu minyak

turun. Hal itu dikarenakan gaya yang mempengaruhi pergerakan naik tetes minyak hanya gaya gravitasi

sehingga pergerakan tetes minyak dipercepat kebawah. Sebaliknya, pada pergerakan tetes minyak ke bawah

(yang sebenarnya ke atas), gaya gravitasi bumi yang berarah ke bawah (pusat bumi) harus mengalami gaya

listrik yang arahnya berlawanan dengan arah gaya gravitasi bumi sehingga percepatan yang dialami oleh tetes

minyak ini akan lebih kecil daripada percepatan yang dialami tetes minyak ketika tidak ada medan listrik yang

mempengaruhinya. Berikut ini adalah data pengamatan yang diperoleh :

5

Tabel 2.1 Tetes Minyak Pertama

Data Pengamatan Waktu dan Tegangan

Pengukuran Jumlah Skala Waktu (AB) Waktu (CE) U1 U2

Loop 1 10 6.44 sekon 8.45 sekon 390 volt 600 volt


Data Pengamatan Kecepatan dan Tegangan

No Pengukuran

Untuk Loop ke- n Kecepatan Naik Kecepatan Turun

U1

(Volt)

U2

(Volt)

1 Loop – 1 310 600

2 Loop – 2 550 600

Tabel 2.2 Tetes Minyak Kedua

Data Pengamatan Waktu dan Tegangan

Pengukuran Jumlah Skala Waktu (AB) Waktu (CE) U1 U2



Data Pengamatan Kecepatan dan Tegangan

No Pengukuran

Untuk Loop ke- n Kecepatan Naik Kecepatan Turun

U1

(Volt)

U2

(Volt)

1 Loop – 1 380 600

2 Loop – 2 420 600

Setelah mendapatkan nilai kelajuan tetes minyak parafin baik yang bergerak naik karena pengaruh

gaya gravitasi bumi dan ke bawah karena pengaruh medan listrik. Selanjutkan kita dapat menentukan besar

jari-jari tetes minyak untuk setiap pengamatan. Namun pada perhitungan besar jari-jari tetes minyak ini, nilai

kelajuan tetes minyak yang digunakan adalah nilai kelajuan yang hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi

karena pada keadaan tersebut tetes minyak berada pada keadaan alaminya tanpa ada pengaruh dari luar. Besar

jari-jari minyak pertama adalah dan besar jari-jari minyak kedua adalah

Adapaun data hasil pengamatan dan perhitungan dengan menggunakan metode I yaitu :

Tetes Minyak ke- Metode I

q ( C ) qc ( C ) n e ( C )

Tetes Minyak 1 1.32 x 10 -19

1.156 x 10 -19

1 elektron 1.16 x 10 -19


0.927 x 10 -19

1 elektron 0.97 x 10 -19

Adapun juga data hasil pengamatan dan perhitungan dengan menggunakan metode II yaitu :

Tetes Minyak ke- Metode II

q ( C ) qc ( C ) n e ( C )


21.8 x 10 -19

14 elektron 1.7 x 10 -19


17.4 x 10 -19

11 elektron 1.6 x 10 -19

Pada percobaan ini menggunakan minyak paraffin yang memiliki massa jenis .

Pada saat minyak paraffin disemprotkan dan masuk ke dalam ruang antar plat mengalami gerak jatuh bebas

yang diakibatkan oleh gaya gravitasi. Saat butiran minyak jatuh terjadi gesekan terhadap udara ( fluida) dan

cahaya lampu sehingga butiran minyak terionisasi. Ionisasi menghasilkan electron yang melekat akan melekat

ke butiran minyak, sehingga tetes minyak menjadi bermuatan. Saat switch pembalik digerakkan ke atas maka

tetes minyak yang bermuatan negative akan bergerak mengikuti gerakan switch pembalik yaitu tetes minyak

akan mendekati plat kutub positif. Data yang diperoleh dari percobaan ini yaitu waktu saat tetes minyak naik

dari batas garis bawah sampai batas garis atas dan waktu ketika tetes minyak turun dari batas garis atas ke

batas garis bawah. Pada saat butiran naik waktu yang diperlukan lebih lama daripada saat butiran turun

sehingga kecepatan saat naik lebih kecil daripada kecepatan saat turun. Semakin kecil waktu yang dibutuhkan

butiran minyak untuk naik dan turun maka semakin besar kecepatannya. Semakin besar kecepatan gerakan

6

butiran minyak maka jari-jari tetesan minyak semakin besar akan menyebabkan muatan tiap butiran minyak

juga semakin besar.

4 Kesimpulan

Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan jari-jari tetes minyak pertama ( ) . Dan untuk minyak kedua r = ( ) Jumlah muatan pada

metode I dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut adalah 1.32 x 10 -19

C dan 1.11 x 10 -19

C.

Sedangkan jumlah muatan pada metode II dengan tetes minyak pertama dan kedua berturut-turut

adalah 24.9 x 10 -19

C dan 19.9 x 10 -19

C

Muatan electron berdasarkan metode pertama dengan tetes minyak pertama dan kedua adalah

1.156 x 10 -19

C dan 0.927 x 10 -19

C. Sedangkan dengan metode II yaitu 21.8 x 10 -19

C dan 17.4 x 10 -19

C.

Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada Dosen pembimbing Fisika Eksperimental I yakni Bapak

Andi Ahmad Zaidan, S.Si, M.Si yang telah membimbing praktikum dan terimakasih kepada teman-teman satu

kelompok atas kerjasamanya dalam melakukan praktikum.

Referensi [1] Hidayah, Latifatul., 2012,Tetes Minyak Milikan, Jurnal Praktikum Fisika Modern Tetes Minyak

Milikan, 1-5.

[2] Widodo, Aris., 2013, Percobaan Tetes Minyak Milikan, Jurnal Praktikum Fisika Modern, 1-4.

[3] Zaidan, A., 2009, Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan.

7

LAMPIRAN I

Analisa Data Hasil Perhitungan Jarak dan Kecepatan Masing – Masing Loop

Berdasarkan hasil perhitungan waktu tiap loop dengan jumlah skala pada lensa okuler x = 10 maka dapat

diperoleh hasil jarak dan kecepatan masing – masing loop baik naik dan turun adalah sebagai berikut :

Jarak yang ditempuh oleh tetes minyak

1. Tetes Minyak Pertama

Loop 1 pada Waktu Naik

Loop 1 pada Waktu Turun



2. Tetes Minyak Kedua





Untuk rata – rata dan standar deviasi kecepatan turun dan naik maka dapat dilakukan cara sebagai berikut ini:

Kecepatan rerata :


( )

( )


( )

( )

Deviasi Standard


√∑

( )

( )

8

√( ) ( )

√

√

√

√∑

( )

( )

√( ) ( )

√

√

√

2. Tetes Minyak kedua

√∑

( )

( )

√( ) ( )

√

√

√

√∑

( )

( )

√( ) ( )

√

9

√

√

Sehingga hasil bacaan kecepatan naik dan turun adalah :



10

LAMPIRAN II

Hasil Perhitungan Rerata Tegangan U1 Standard Deviasinya Tegangan U1 adalah tegangan pada saat menjaga tetes minyak tetap berada diantara pelat dan U2 adalah

tegangan yang digunakan untuk membuat naik tetes minyak. Disini yang besarnya variatif adalah U1 sehingga

yang memiliki rata – rata dan standard deviasi adalah U1 sedang U2 memiliki nilai pasti yaitu 600 V (karena

disetting demikian) dan standard deviasi adalah 0.

Rata – rata U1 dan Standard Deviasinya


√∑( )

( )

( )

√∑( ) ( )

( )

√

√

√

volt

Sehingga diperoleh hasil bacaan :


√∑( )

( )

( )

√∑( ) ( )

( )

√

√

√

volt

Sehingga diperoleh hasil bacaan :

11

LAMPIRAN III

Menentukan Jari – Jari Tetes Minyak Milikan Menentukan jari – jari tetes minyak milikan dapat ditentukan dengan :

√

Dimana adalah viskositas udara 1,85 x 10-5

Pa.s dan

dan v1 adalah kecepatan turun sehingga :


√

√ ( )( )

( )( )

√


√

√ ( )( )

( )( )

√

12

LAMPIRAN IV

Penentuan Muatan Tetes Minyak Dengan Metode I

Pengukuran muatan tetes minyak dapat diperoleh dengan dua metode, pada bagian ini akan dibahas

pengukuran muatan tetes minyak dengan metode I (tanpa medan listrik) :

(

)√

Dimana massa jenis dan d = 6 mm atau dituliskan

didalam satuan SI adalah 6 x 10-3

m dan η adalah viskositas udara 1,82 x 10-5

Pa.s Sehingga :


(

)√

( ) ( ( )( )( )

) ( )

( )( )( ) C


(

)√

( ) ( ( )( )( )

) ( )

( )( )( ) C

13

LAMPIRAN V

Penentuan Muatan Listrik Minyak Dengan Menggunakan Metode II

Untuk metode II dapat digunakan persamaan berikut ini :

( )√ (

√ )

Dengan v1 adalah kecepatan turun dan v2 adalah kecepatan naik sehingga :


( )√ (

√ )

( )√

( )

(

( )

√ ( )( ))

( ) (

) ( )

(

√ ( )( ))

( )( )( )( ) C

24,9 C


( )√ (

√ )

( )√

( )

(

( )

√ ( )( ))

( ) (

) ( )

(

√ ( )( ))

( )( )( )( ) C

19,9 C

14

LAMPIRAN VI

Koreksi Cunningham Pada Hasil Metode I dan II

Koreksi Cunningham adalah suatu koreksi yang digunakan untuk menambah keakuratan dari hasil – hasil

pengukuran akibat adanya faktor lingkungan seperti tekanan udara. Bentuk muatan terkoreksi dengan koreksi

cunningham adalah :

( )

Dimana b = 6,13 x 10-6

cmHg.m dan nilai r adalah jari – jari tetes minyak dan p adalah tekanan udara disekitar

yang mana p diambil 1 bar = 76 cmHg sehingga:

(

)

(

( ))

( )

(

)

( )

Sehingga dari metode I, diperoleh muatan terkoreksi :


( )


( )

Sedangkan untuk metode II, diperoleh muatan terkoreksi:



15

LAMPIRAN VII

Menentukan Jumlah Elektron dalam Tetes Minyak dan Muatan Elektron

Dari hasil yang diperoleh dari metode I, banyak elektron dalam tetes minyak diperoleh:



Dari hasil yang diperoleh dari metode II, banyak elektron dalam tetes minyak diperoleh:



Sedangkan dari hasil metode I diperoleh muatan dasar elektron :



Sedangkan dari hasil metode II diperoleh muatan dasar elektron :


= 1,7


= 1,6

Dari dua hasil diatas diperoleh bahwa muatan dasar elektron memiliki kesalahan relatif :

Metode I


|

| |

|


|

| |

|

Metode II


|

| |

|


16

|

|

|

|

LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I Mengukur Jari...

Documents

Transcript of LAPORAN FISIKA EKSPERIMENTAL I Mengukur Jari...