LAPORAN PRAKTIKUM

MUATAN ELEKTRON SPESIFIK - e/m

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Tugas IndividuMata Kuliah Praktikum Fisika Lanjut

Dosen Pengampu : Drs. Hadi Pramono, M.Pd

Oleh : Eka Wati

050412.10.03

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS NAHDLATUL ULAMA

2014

A. Tujuan

1. Mempelajari lintasan gerak elektron akibat pengaruh medan listrik dan

medan magnet.

2. Menghitung nilai e /m dari elektron.B. Tinjauan Pustaka

Elektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif dan

umumnya ditulis sebaga e-. Elektron tidak memiliki komponen dasar

ataupun substruktur apapun yang diketahui, sehingga ia dipercayai sebagai

partikel elementer.[2] Elektron memiliki massa sekitar 1/1836 massa

proton.[3] Momentum sudut (spin) instrinsik elektron adalah setengah nilai

integer dalam satuan ħ, yang berarti bahwa ia termasuk fermion.

Antipartikel elektron disebut sebagai positron, yang identik dengan

elektron, tapi bermuatan positif. Ketika sebuah elektron bertumbukan

dengan positron, keduanya kemungkinan dapat saling berhambur ataupun

musnah total, menghasilan sepasang (atau lebih) foton sinar gama.

Elektron, yang termasuk ke dalam generasi keluarga partikel lepton

pertama,[4] berpartisipasi dalam interaksi gravitasi, interaksi

elektromagnetik dan interaksi lemah.[5] Sama seperti semua materi,

elektron memiliki sifat bak partikel maupun bak gelombang (dualitas

gelombang-partikel), sehingga ia dapat bertumbukan dengan partikel lain

dan berdifraksi seperti cahaya. Oleh karena elektron termasuk fermion,

dua elektron berbeda tidak dapat menduduki keadaan kuantum yang sama

sesuai dengan asas pengecualian Pauli.[4]

Konsep muatan listrik yang tidak dapat dibagi-bagi lagi diteorikan

untuk menjelaskan sifat-sifat kimiawi atom oleh filsuf alam Richard

Laming pada awal tahun 1838;[6] nama electron diperkenalkan untuk

menamakan muatan ini pada tahun 1894 oleh fisikawan Irlandia George

Johnstone Stoney. Elektron berhasil diidentifikasikan sebagai partikel pada

tahun 1897 oleh J. J. Thomson.[1][7]

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.

Sistem yang digunakan terdiri dari sebuah tabung katode dan

kumparan yang berfungsi untuk menghasikan medan magnet. Kumparan

ini disebut kumparan Helmholtz yang digunakan untuk menghilangkan

medan magnetik bumi dan untuk memberikan medan magnet yang

konstan dalam ruang yang sempit dan terbatas. 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 :

12

m v2=eV (1)

Persamaan 1 disebut formula siklotron, karena persamaan tersebut

menggambarkan gerak partikel di dalam sebuah siklotron (alat pemercepat

partikel). [8] Sehingga kecepatan elektron dapat ditulis sebagai : 

v=√ 2 eVm

(2)

Jika elektron tersebut bergerak di dalam medan magnet B, maka

akan mengalami gaya Lorenz sebesar :

F=evB (3)

Untuk elektron vtegak lurus 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:

F lorenz=F sentrifugal (4)

evB=m v2

r (5)

sehingga dapat ditentukan nilai dari (e/m) nya, yaitu[8] :

em

= 2V

(Br )2 (6)

Gambar 1 Diagram lintasan elektron dalam eksperimen penentuan muatan

spesifik elektron dengan lilitan helmholtz

Gambar 2. Lilitan Helmholtz

Lilitan Helmholtz

Dua buah kawat melingkar yang sesumbu, masing-masing terdiri

dari N buah lilitan dan diberi arus I yang searah.

Jika titik P bearada di tengah-tengah kumparan (z = b), maka

karena arusnya searah, induksi magnet di titik P sama dengan nol. [9]

C. Metode Eksperimen

1. Alat dan Bahan

a. Tabung Thomson 1 set

b. Sumber medan magnet 1 set

c. Voltmeter 2 buah

d. Amperemeter 1buah

e. Kabel penghubung secukupnya

2. Cara Kerja

Prosedur penelitian ini dapat diihat pada gambar 3 berikut :

Grafik hubungan data jari-jari lintasan elektron (r) vs medan magnet (B) dan jari-

jari lintasan elektron (r) vs tegangan pemercepat (V)

Perhitungan jari-jari lintasan elektron dan besar medan magnet kumparan Helmholtz

Pembuatan tabel data eksperimen

Penentuan panjang AG pada skala dalam tabung setiap pengukuran arus

Pasang sumber arus dari 0.1 A s/d 1.0 A dengan step 0.1 A

Pasang sumber tegangan tinggi sebesar 3 kV

Pasang kabel sesuai gambar 4

Gambar 3. Diagram Alir Prosedur Eksperimen

Gambar.4 Rangkaian kabel percobaan e/m

Sebelum melakukan percobaan maka dilakukan perangkaian alat

terlebih dahulu,seperti yang ditunjukkan pada gambar 4. Setelah itu

memasang sumber tegangan tinggi sebesar 3 kV , hal ini ditujukan agar

gerak elektron semakin cepat sehingga lintasannya menjadi lurus.

Gambar 5. Lintasan elektron

Kemudian memasang arus dari 0.1 A s/d 1.0 A dengan step 0.1 A.

Arus dalam percobaan ini melewati lilitan Helmholtz yang menimbulkan

medan magnet, dalam medan magnet tersebut, elektron akan bergerak

dalam lintasan berbentuk lingkaran maka dapat di hitung jari-jari dari

lintasan elektron tersebut.

Setelah arus dimasukan maka lintasan elektron dapat terlihat dalam

tabung Thomson,kemudian dilakukan pengukuran atau penentuan panjang

AG pada skala dalam tabung setiap pengukuran arus.

Untuk perhitungan jari – jari elektron harus digunakan perhitungan

bentuk geometri lintasan elektron pada tabung Thomson seperti pada

gambar 5, dimana persamaannya adalah sebagai berikut

r=√2( 802 mm2

AG (mm)−

AG (mm)2

−80 mm) (7)

sedangkan untuk menghitung besar medan magnet, dimana magnet yang

digunakan adalah kumparan Helmholtz, dimana persamaannya adalah

B=1,4 × 10−3 I (8)

Untuk pembuatan grafik, maka perlu ditinjau persamaan e /m pada

persamaan 6. Dari persamaan 6 terdapat 2 variabel bebas yaitu V dan B,

serta variabel terikat r. Agar dapat dibuat grafik linier, maka salah satu

dari variabel bebas harus dibuat kosntan.Oleh sebab itu pada percobaan ini

dilakukan 2 kali percobaan, yaitu ketika V konstan dan B konstan.

Untuk V konstan maka persamaan 6 agar menjadi persamaan linier maka

diubah menjadi

r2= 2Ve /m

1

B2 (9)

y=m x

Untuk menghindari kesamaan m (massa elektron) dengan m

(gradien garis linier), maka e /m dimisalkan dengan α . Sehingga gradien

untuk V konstan adalah

m=2 Vα

(10)

sehingga nilai α nya adalah

α=2Vm

(11)

Sedangkan untuk B konstan persamaan garis liniernya adalah

r2= 2

αB2V (12)

y=m x

Sehingga gradien untuk B konstan adalah

m= 2

α B2 (13)

sehingga nilai α nya adalah

α= 2

m B2 (14)

Nilai α ini akan dibandingkan dengan nilai α literatur.

D. Hasil dan Pembahasan

Eksperimen kali ini membahas tentang e/m dimana e itu sendiri

adalah elektron dan m adalah massa elektron. Dalam praktikum ini

bertujuan untuk mempelajari lintasan gerak elektron akibat pengaruh

medan listrik dan magnet, serta menghitung besarnya nilai e/m dari

elektron.

Sebelum melakukan praktikum seperti halnya langkah yang

dilakukan yaitu mempersiapkan alat-alat yang digunakan sebagai piranti

untuk pengambilan data eksperimen. Alat – alat yang digunakan sebagai

berikut:

1. Tabung Thomson, tabung Thomson berfungsi sebagai tempat

pengamatan lintasan elektron yang dihasilkan dari pemercepat

tegangan.

2. Sumber medan magnet,sumber ini dihasilkan oleh adanya lilitan

Helmholtz yan besarnya dapat menentukan arus yang melewatinya.

3. Voltmeter berfungsi sebagai penhasil tegangan.

4. Amperemeter berfungsi sebagai penhasil arus.

Setelah semua alat telah dipersiapkan maka dapat dirangkai seperti

berikut

Gambar 6. Rangkaian alat eksperimen muatan spesifikasi elektron e/m

Dalam eksperimen ini, dilakukan pengukuran jari-jari berkas

lintasan elektron yang berbentuk lingkaran sebanyak 7 kali pengukuran.

Berkas lintasan elektron tersebut dapat berbentuk lingkaran karena

pengaruh medan magnet Bayangan dibangkitkan oleh koil Helmhotz,

sehingga elektron yang dilepaskan oleh elektron 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 elektrongun dan

besar radius yang terbentuk. Sehingga bisa didapat nilai akhir

dariperbandingan antara e/m guna mengetahui lebih jauh karakterisitik

elektron.

Untuk percobaan yang pertama dilakukan adalah dengan

menggunakan pemercepat tegangan tetap sebesar 3x103 V dari hasil

pengamatan untuk percobaan yang pertama didapat hasil sebagai berikut:

Tabel 1. Data untuk tegangan pemercepat konstan

Tegangan Pemercepat Konstan, Vp = 3 kV

Vsumber

(V)

Isumber

(A) AG (m) r (m) B (T)

2.5 0.1 0.024 0.281 0.0004

4 0.2 0.036 0.164 0.0008

5 0.3 0.052 0.098 0.0013

6 0.4 0.058 0.084 0.0017

8 0.5 0.072 0.063 0.0021

8.6 0.6 0.076 0.06 0.0025

Dari data pada tabel 1 diketahui besarnya tegangan, dan arus yang

melewati medan magnet serta diketahui besarnya nilai AG yaitu besarnya

atau panjangnya lintasan elektron yang tampak sebagai spektrum warna

pada tabung Thomson yang berwarna biru. Pada tabung Thomson tersebut

sinar katoda yang memancarkan berkas elektron dari elektroda katoda.

Elektroda tersebut dipanaskan, sehingga katoda mengalami emisi

termionik, sehingga elektron terlepas dari anoda masuk ke medan magnet

dan elektron bergerak dalam lintasan berbentuk lingkaran.

Dari hasil eksperimen tersebut menunjukkan bahwa pada saat nilai

tegangan (V ) tetap sedangkan nilai arus listrik (I) berubah semakin besar,

maka jari - jari lintasan elektron akan semakin kecil. Sesuai dengan teori,

jika semakin besar nilai kuat arusnya maka medan magnet yang dihasilkan

oleh kumparan Helmholtz semakin besar pula. Medan magnet yang besar

akan membelokkan elektron dengan kuat sehingga diameter lintasan

elektron semakin kecil karena diameter elektron berbanding terbalik

dengan medan magnet. Hal ini ditunjukkan pada persamaan 9.

Dari gambar 7 yang menunjukkan grafik dari persamaan 9

menunjukkan bahwa gradien garis bernilai 1 × 10-8.

Dari persamaan 11 maka nilai e /m nya adalah 6 × 10-11 C/kg.

Sedangkan nilai e /m literatur adalah 1,76×10-11 C/kg. Dari hasil percobaan

memiliki perbedaan yang tidak terlalu mencolok karena masih pada satu

orde 10-11, hanya berbeda angkanya.

0E+00. 2E+06. 4E+06. 6E+06. 8E+06.0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08f(x) = 1.3488030237E-08 x + 0.0023739681607

1/B2 (T-2)

r2 (m

2)

Gambar 7. Grafik hubungan r2 vs 1

B2

Tabel 2. Data untuk sumber arus konstan

Sumber Arus Konstan, I = 0,2 A ,

B = 0,00083 T

Vpemercepat (V) AG (m) r (m)

3000 0.039 0.147

3500 0.038 0.152

4000 0.036 0.164

4500 0.034 0.177

5000 0.033 0.184

Dan untuk percobaan yang kedua ini berlaku pada arus helmhotz

tetap 0.2 A.Dari persamaan 12 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 dalam lintasan linier. Berbeda dengan pengamatan pada nilai

variabel beda potensial yang dikalukan pada percobaan yang pertama.

Hasil percobaan dapat dilihat dari tabel 2. Dari hasil tersebut dapat dilihat

r berbanding lurus dengan V . Sama dengan hasil pada percobaan pertama.

Hal ini juga dapat dilihat pada grafik gambar 8.

Pada grafik tersebut nilai gradien garis bernilai 7 × 10-6. Dari

persamaan 14 didapat nilai e /m menurut percobaan adalah 4,11 × 10-11

C/kg, sedangkan menurut literatur adalah 1,76×10-11 C/kg. Dari hasil

percobaan memiliki perbedaan yang tidak terlalu mencolok karena masih

pada satu orde 10-11, hanya berbeda angkanya.

3000 3500 4000 4500 50000.0200.0220.0240.0260.0280.0300.0320.034

f(x) = 0.0000066825938998 x + 0.00061985722

Vpemercepat (V)r2

(m2)

Gambar 8. Grafik hubungan r2 vs V

Dari kedua percobaan yang telah dilakukan, nilai e /m dari

percobaan tidak memiliki perbedaan mencolok terhadap e /m literatur.

Perbedaan angka lebih disebabkan oleh variabel terikat dari percobaan ini

yaitu r, dimana r didapat dari pengukuran AG pada tabung Thomson.

Sehingga perbedaan nilai e /m lebih disebabkan pada kesalahan paralaks.

E. Kesimpulan

1. Elektron yang dikenai tegangan pemercepat bentuk lintasan

elektronnya lurus, sedangkan ketika dikenai medan magnet lintasan

elektron akan dibelokkan dimana diameternya berbanding terbalik

dengan besar medan magnet.

2. Nilai e /m pada percobaan ketika V pemercepat konstan adalah 6 × 10-11

C/kg dan untuk B konstan adalah 4,11 × 10-11 C/kg, sedangkan

menurut literatur adalah 1,76 × 10-11 C/kg. Perbedaan nilai lebih

disebabkan kesalahan paralaks.

F. Saran

Untuk pratikan selanjutnya, agar memahami konsep terlebih dahulu,

sebelum memulai pratikum, agar dalam praktikum dapat berjalan dengan

lancar dan hasil yang didapat lebih sesuai dengan teori yang ada. Selain

itu, untuk melihat multimeter, agar lebih hati – hati dan teliti. Dan jagalah

alat, untuk generasi berikutnya.

Daftar Pustaka

[1]. Dahl (1997:122–185).

[2]. Eichten, Estia J.; Peskin, Michael E. (1983). "New Tests for Quark and Lepton

Substructure". Physical Review Letters 50 (11): 811–814.Keys, Ancel;

Fidanza, F; Karvonen, MJ; Kimura, N; Taylor, HL. 1972. "Indices of relative

weight and obesity.". J Chronic Dis.. 1 25 (6): 329–43.

[3]. "CODATA value: proton-electron mass ratio". National Institute of Standards

and Technology. Diakses pada 18 Juli 2009.Vaughan, Christoper L. 1999.

Dynamics of Human Gait 2nd edition. Cape Town : Kiboho.

[4]. Curtis, Lorenzo J. (2003). Atomic Structure and Lifetimes: A Conceptual

Approach. Cambridge University Press. hlm. 74. ISBN 0521536359.Winter,

David A. 1990. Biomechanics and Motor Control of Human Movement. New

York : John Wiley & Sons, Inc.

[5]. Anastopoulos, Charis (2008). Particle Or Wave: The Evolution of the Concept

of Matter in Modern Physics. Princeton University Press. hlm. 236–237. ISBN

0691135126.

[6]. Arabatzis, Theodore (2006). Representing Electrons: A Biographical

Approach to Theoretical Entities. University of Chicago Press. hlm. 70–74.

ISBN 0226024210.

[7]. Wilson, Robert (1997). Astronomy Through the Ages: The Story of the

Human Attempt to Understand the Universe. CRC Press. hlm. 138. ISBN

0748407480.

[8]. Tipler, Paul A,. (2001). Fisika untuk Sains dan Tekhnik Jilid 2 edisi ketiga.

Jakarta : Erlangga.

[9]. Bahtiar, Ayi. (2007). Listrik Magnet II. Tersedia : http://phys.unpad.ac.id/wp-

content/uploads/2009/02/handout- listrik-magnet-ii.pdf (23 September 2010).

LAMPIRAN

Tegangan Pemercepat KonstanVp

(kV)

Vsumber

(volt)Isumber

(A)AG (m) r (m) r2 (m2) 1/r2 (m-2) B (T) B2 (T2) 1/B2 (T-2)

3 2,5 0,1 0,024 0,281 0,079 12,668 0,00042 1,739 × 10-7 5,75 × 106

3 4 0,2 0,036 0,164 0,027 37,301 0,00083 6,956 × 10-7 1,44 × 106

3 5 0,3 0,052 0,098 0,010 104,786 0,00125 1,565 × 10-6 6,39 × 105

3 6 0,4 0,058 0,084 0,007 141,973 0,00167 2,782 × 10-6 3,59 × 105

3 8 0,5 0,072 0,063 0,004 248,137 0,00209 4,347 × 10-6 2,30 × 105

3 8,6 0,6 0,076 0,060 0,004 280,626 0,0025 6,260 × 10-6 1,60 × 105

TABEL PERHITUNGAN

Sumber Arus Konstan

Vp

(volt)

Vsumber

(volt)

Isumber

(A)

AG

(m) r (m)

r2

(m2) 1/r2 (m-2) B (T) B2 (T2)

3000 3 0,2 0,039 0,137 0,019 53,584

0,0008

3 6,956 ×10-7

3500 3 0,2 0,038 0,132 0,017 57,339

0,0008

3 6,956 ×10-7

4000 3 0,2 0,036 0,124 0,015 65,374

0,0008

3 6,956 ×10-7

4500 3 0,2 0,034 0,116 0,013 74,124

0,0008

3 6,956 ×10-7

5000 3 0,2 0,033 0,113 0,013 78,773

0,0008

3 6,956×10-7