PENENTUAN NILAI PERBANDINGAN MUATAN DAN

MASSA ELEKTRON DENGAN MENGGUNAKAN TABUNG

SINAR KATODA (STUDI EKSPERIMENTAL DALAM

PENURUNAN RUMUS e/m )

JURNAL EKSPERIMEN FISIKA I

Diajukan guna memenuhi tugas praktikum Eksperimen Fisika I untuk Mahasiswa

Fisika Semester V

Oleh

Abdus Solihin

071810201067

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA DAN FISIKA MODERN

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS JEMBER

2009

PENENTUAN NILAI PERBANDINGAN MUATAN DAN MASSA

ELEKTRON DENGAN MENGGUNAKAN TABUNG SINAR KATODA

(STUDI EKSPERIMENTAL DALAM PENURUNAN RUMUS e/m )

Abdus Solihin

Jurusan Fisika FMIPA Universitas Jember

Email: elhobela@gmail.com

14 Desember 2009

Abstrak

Tabung sinar katoda adalah tabung hampa udara yang dapat memancarkan sinar

hijau pucat ketika dialiri arus listrik. Sir William Crockes pada tahun 1879

menunjukkan bahwa sinar tersebut adalah berkas partikel bermuatan negatif

yang selanjutnya oleh J. J. Thompson disebut sebagai elektron. Elektron

merupakan salah satu dari tiga sub partikel dasar penyusun atom yang juga

merupakan partikel fundamental dalam sifat kelistrikan secara mikro. Oleh

karena itu, eksperimen mengenai sinar katoda termasuk eksperimen yang penting

dalam perkembangan bidang kelistrikan. Eksperiman ini dilakukan dengan

menghubungkan antara nilai arus (I) pada koil Helmholtz, tegangan elektroda

(V), dan radius lintasan elektron (r) pada tabung sinar katoda yang selanjutnya

dapat digunakan sebagai pendekatan dalam menentukan besar muatan elektron

(e).

Kata Kunci: Sinar Katoda, Coil Helmholzt, Electron Gun, Radius Elektron

1. Pendahuluan

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.

Percobaan ini dilakukan oleh Julius plocker. Kemudian peristiwa ini dijelaskan

oleh Sir William Crockes pada tahun 1879 yang berhasil menunjukkan bahwa

sinar katoda adalah berkas sinar bermuatan negatif yang oleh Thompson disebut

sebagai elektron.

Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah

percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson, 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

berbentu lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik

antara katoda dengan anoda. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh

Thompson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali

hubungan-hbungan tersebut.

Percobaan mengenai sinar katoda adalah salah satu eksperimen untuk

mengetahui karakteristik dari elektron yang merupakan partikel sub-atomik yang

fundamental dalam terbentuknya arus listrik. Sehingga eksperimen ini penting

dilakukan mengingat wilayah aplikasi kelistrikan yang sangat luas.

1.1 Rumusan Masalah

Rumusan masalah yang muncul pada eksperimen ini adalah:

1. Apa hubungan antara beda tegangan elektroda pemercepat ( )V dengan

jari-jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I)?

2. Apa hubungan antara nilai arus lisrik pada coil Helmhozt ( I ) dengan jari-

jari lintasan berkas elektrón (r)?

3. Bagaimana persamaan linear untuk masing-masing harga arus I?

4. Berapa nilai perbandingan e/m yang diperoleh?

1.2 Tujuan

Dari rumusan masalah tersebut diatas, maka eksperimen sinar katoda ini memiliki

tujuan sebagai berikut:

1. Mengetahui hubungan antara beda tegangan elektroda ( )V dengan jari-

jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I)

2. Mengetahui hubungan antara nilai arus lisrik pada coil Helmhozt ( I )

dengan jari-jari lintasan berkas elektrón (r)

3. Mendapatkan persamaan linear untuk masing-masing harga arus I

4. Mengetahui harga perbandingan e/m melalui percobaan yang dilakukan

lalu membandingkan dengan percobaan yang pernah dilakukan oleh J. J.

Thompson

1.3 Manfaat dan Kegunaan

Dengan melakukan eksperimen ini, mahasiswa dapat mengetahui dan

memahami sifat dan karakteristik elektron sehingga dapat menunjang

pengaplikasian lebih lanjut dari sifat-sifat kelistrikan

2. Metode

Metode yang dilakukan dalam eksperimen ini menggunakan analisis kuantitatif

dan kualitatif dengan menggunakan peralatan yang dibutuhkan. Adapun peralatan

yang digunakan dalam eksperimen sinar katoda sebagai berikut:

1. Peralatan pengukuran e/m: Peralatan yang terdiri dari tabung sinar katoda,

koil helmhozt, pengatur tegangan dan arus listrik, elektron gun, dan

sebagainya yang berfungi sebagai objek tempat pengamatan dan

pengaturan sistem percobaan, serta tempat visualisasi radius elektron

2. High voltage DC power supply: Sebagai Sumber tegangan masukan pada

elektroda yang memicu pergerakan linear elektron

3. Low voltage AC/DC power supply: Sebagai Sumber tegangan masukan

pada coil helmholtz yang memicu medan magnet B yang menyebabkan

pergerakan melingkar elektron

4. Digital voltmeter: Alat untuk mengukur nilai tegangan

5. Kabel penghubung: Untuk menghubungkan arus listrik dari satu

komponen ke komponen yang lain

Sedangkan langkah kerja dijelaskan lewat diagram sebagai berikut:

Analisa kuantitatif yang dilakukan adalah:

Untuk mencari harga (e/m) digunakan rumus sebagai berikut:

2

0

23

452

NIr

aV

m

e

dimana :

22

23

)(

)45(2

r

V

NI

a

m

e

o

2

0

23452

NI

a

2r

V

m

e

Membuat Grafik

Persamaan garis linier dari grafik adalah xmy .

Dimana m adalah gradient grafik yang didapat dari:

Vma

eR

Ve

mr

r

V

m

e

2

2

dengan me

Gambar 3.2

Grafik Hubungan Antara Beda potensial(volt) dengan Jari-jari(m)

y mx m

em

m

e

m

e

Dimana:

ΔV : potensial pemercepat ( Volt )

a : radius Helmholtz koil ( a = 15 cm )

N : jumlah lilitan pada Helmholtz koil ( N = 130 )

I : arus listrik pada Helmholtz ( Ampere )

r : radius sinar katoda ( meter )

μ0 : konstanta permeabilitas udara 7

0104

Untuk mencari besarnya diskrepansi digunakan persamaan sebagai berikut:

%100

acuan

acuan

me

memeD

dengan

V

y = (em/)x

R=r2

kgc

kg

c

m

e

acuan

11

31

19

1076,1101,9

106,1

3. Hasil dan Pembahasan

Untuk I = 1 A dan V = 7 Volt, grafiknya adalah sebagai berikut:

Untuk I = 1,1 A dan V = 7 Volt, grafiknya adalah sebagai berikut:

Sedangkan untuk Untuk I = 1,2 A dan V = 7 Volt, grafiknya adalah sebagai

berikut:

y = 20803x + 58,16R² = 0,996

020406080

100120140160

0,000 0,002 0,004 0,006

Teg

an

ga

n E

lek

trod

a (

V)

Kuadrat Radius Lintasan Elektron (m)

Series1

y = 44758x + 10,43R² = 0,988

0

50

100

150

0,000 0,001 0,002 0,003 0,004

Teg

an

ga

nE

lek

trod

a (

V)

Kuadrat Radius Lintasan Elektron (m)

Grafik Hubungan Kuadrat Radius Lintasan Elektron vs

Tegangan Elektroda

Series1

Linear (Series1)

Dalam eksperimen ini, dilakukan pengukuran jari-jari berkas lintasan

elektron yang berbentuk linkaran sebanyak 3 kali pengukuran. Berkas lintasan

elektron tersebut dapat berbentuk lingkaran karena pengaruh mendan magnet B

yang dibangkitkan oleh koil Helmhotz, sehingga elektron yang dilepaskan oleh

elektron gun dan ditarik oleh beda potensial mengalami pergeseran lintasan dari

bentuk linier menjadi berbentuk lingkaran. Dari pola demikianlah, dicoba di tarik

korelasi antara nilai arus listrik pada koil Helmhotz, nilai beda tegangan elektron

gun dan besar radius yang terbentuk. Sehingga bisa didapat nilai akhir dari

perbandingan antara e/m guna mengetahui lebih jauh karakterisitik elektron.

Dari eksperimen yang dilakukan, didapatkan pola bahwa pada arus listrik

koil Helmhotz bernilai tetap dan variable beda potensial diubah diperbesar, maka

nilai radius lintasan elektron juga turut menjadi lebih besar. Dan ini berlaku untuk

30 sampel uji coba yang dilakukan dengan 10 sampel pada arus helmhotz tetap 1

A, 10 sampel pada arus helmhotz tetap 1,1 A, dan 10 sampel pada arus helmhotz

tetap 1,2 A. Dengan demikian dapat diketahui bahwa nilai beda potensial

berbanding lurus dengan radius lintasan elektron yang terbentuk. Hal ini dapat

terjadi karena nilai beda potensial akan berpengaruh pada percepatan elektron gun

dalam lintasan linier.

Berbeda dengan pengamatan pada nilai variabel beda potensial tersebut.

Pada variabel berubah arus listrik dari 1 A, 1,1 A, menjadi 1,2 A didapatkan data

bahwa radius lintasan elektron cenderung semakin mengecil. Dengan demikian

diketahui bahwa semakin besar nilai arus listrik, maka besar medan magnet yang

y = 39291x + 41,78R² = 0,993

0

50

100

150

0,000 0,001 0,002 0,003

Teg

an

ga

n E

lek

trod

a (

V)

Kuadrat Radius Lintasan Elektron (m)

Grafik Hubungan Kuadrat Radius Lintasan

Elektron vs Tegangan Elektroda

Series1

Linear (Series1)

dibangkikan oleh koil Helmhotz juga akan semakin besar. Perbesaran medan

magnet koil helmhotz tersebut menyebabkan nilai gaya sentripetal yang akibat

medan magnet juga menjadi semakin besar. Sehingga, didapatkan bahwa nilai

arus listrik pada koil helmhotz berbanding terbalik dengan besar radius lintasan

elektron.

Sedangkan nilai acuan

me )/( dari eksperimen Thompson dan harga (e/m)

hasil pengukuran menunjukkan nilai yang relatif mirip. Sehingga tidak didapati

perbedaan yang mencolok disini.

4. Kesimpulan

Dari hasil eksperimen dapat disimpulkan bahwa:

1. Nilai beda tegangan elektroda pemercepat ( )V berbanding lurus dengan

jari-jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I), yaitu semakin

besar nilai tegangan maka radiuspun semakin besar pula

2. Nilai arus lisrik pada coil Helmhozt ( I ) berbanding terbalik dengan jari-jari

lintasan berkas elektrón (r), dimana semakin besar nilai arus listrik yang

diiberikan, nilai radius menjadi semakin kecil

3. Dari grafik antara nilai beda potensial yang diberikan dengan nilai kuadrat

radius yang terbentuk didapatkan persamaan linear untuk masing-masing

harga arus I

4. Perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan ekuivalen atau

mendekati harga e/m acuan yang pernah dilakukan oleh J. J. Thompson

DAFTAR PUSTAKA

Keenan; Kleinfelter; Wood, 1989. Ilmu Kimia Untuk Universitas, Jilid 1.Jakarta:

Erlangga.

Musbach, Musaddiq,1996.Fisika Listrik Magnet dan Optik.Jakarta: Pusat Pembinaan dan

Pengembangan Bahasa Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.

Tim Penyusun Panduan Praktikum Laboratorium Optoelektronika dan Fisika Modern,

2009. Buku Panduan Eksperimen Fisika I. Jurusan Fisika. FMIPA: Universitas

Jember.

Tobing, D. L.,1986. Teori Medan.jakarta : Penerbit Karunika Jakarta Universitas

Terbuka.

Wiyanto, 2008.Elektromagnetika. Yogyakarta : Graha Ilmu.

Zemansky, Sears, 1986. Fisika Untuk Universitas 2 “Listrik Magnet”. Bandung:

Binacipta.