Abstrak—Aktivitas yang berhubungan dengan muatan listrik semakin sering dibutuhkan. Oleh karena itu, dilakukanlah percobaan dengan judul Tetes Minyak Milikan yang bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan untuk menentukan muatan tiap butiran minyak. Percobaan ini berprinsip pada medan listrik dengan variasi tegangan 200 V, 300 V, dan 400 V. Dan di akhir percobaan, didapatkan hasil berupa jari-jari butiran pada saat tegangan 200 V adalah 501 10-6 m, jari-jari butiran pada saat tegangan 300 V adalahh 444 10-6 m, dan jari-jari butiran pada saat tegangan 400 V adalah 435 10-6 m. Sedangkan muatan butiran pada tegangan 200V adalah 1,21 10-10 C, muatan butiran pada tegangan 300 V adalah 5,67 10-11 C, dan muatan butiran saat tegangan 400 V adalah 3,91 10-11 C.
Keyword— Gaya Archimedes, Gaya Stokes, Medan listrik, Viskositas.
I. PENDAHULUAN
D
alam kehidupan sehari-hari, sering dijumpai berbagai aktivitas yang berhubungan dengan muatan listrik. Hal yang sering kita jumpai saat musim hujan adalah adanya petir. Petir terjadi karena ulah muatan listrik yang berpindah dari awan ke dasar bumi. Selain petir, terdapat aktivitas yang apabila kita gosokkan penggaris plastik ke rambut, maka penggaris tersebut dapat menarik kertas-kertas kecil. Hal ini dikarenakan muatan pada penggaris bergerak hingga muatannya berlawanan dengan kertas, sehingga dapat menarik kertas-kertas kecil tersebut.Selama periode tahun 1909 hingga 1913, Robert Milikan menampilkan sebuah eksperimen yang luar biasa untuk mengukur muatan elektron. Besaran dari muatan dasar di atas elektron dan mendemonstrasikan kuantitas alam dari muatan ini. Peralatan yang ia gunakan digambarkan pada gambar 1 di bawah ini.
Gambar 1. Peralatan Eksperimen Robert Milikan
Peralatan-peralatan tersebut terdiri dari dua lempeng logam yang dipasang secara paralel. Penyemprot minyak yang terdapat lubang kecil di ujungnya dapat dengan mudah memasuki lubang kecil di bagian atas
lempengan. Robert Millikan waktu itu menggunakan sinar x-ray untuk mengionkan udara di dalam ruangan. Dengan begitu, elektron-elektron bebas akan mengikuti minyak yang dijatuhkan, dan memberi tetesan-tetesan minyak tersebut bermuatan negatif. Secara horizontal, apabila dilihat, cahaya langsung digunakan untuk menyinari tetesan-tetesan minyak, agar dapat dilihat melalui teleskop yang dipasang secara sejajar dengan sumber cahaya tersebut. Saat tetesan-tetesan tersebut dilihat pada kondisi ini, tetesan-tetesan tersebut muncul bagaikan bintang-bintang yang bersinar dengan laar belakang yang gelap, dan jumlah tetesan yang menuju ke arah bawah dapat ditentukan[1].
Lebih mudah apabila diasumsikan bahwa setiap butir tetesan minyak memiliki sebuah massa m dan membawa sebuah muatan q yang muatan tersebut adalah muatan negatif. Apabila tidak ada medan listrik yang beroperasi di antara pelat logam. Terdapat dua gaya yang bekerja pada muatan tersebut, yakni gaya berat gravitasi mg yang bergerak ke bawah (ada pula gaya apung di atas butiran minyak dikarenakan udara yang mengelilingi tetesan minyak tersebut. Gaya ini bisa digantikan dengan gaya berat gravitasi mg di bawah, sehingga gaya apung ini tidak termasuk dalam analisis). Selain gaya berat gravitasi, terdapat pula gaya viskositas Fd yang bergerak ke atas. Gaya-gaya tersebut digambarkan seperti ada gambar 2.2 di bawah ini.
Gambar 2. Gaya pada Butiran Minyak.
Gaya viskositas besarnya sama dengan kecepatan tetesan minyak. Saat tetesan minyak tersebut mencapaio kecepatan terminalnya (v), dua gaya (gaya viskositas dan gaya berat gravitasi) tersebut akan senilai satu sama lain dan membentuk persamaan (1) seperti di bawah ini[1].
(1) Sekarang, apabila baterai dihubungkan dengan kedua plat dan terdapat medan listrik di antara pelat-pelat tersebut, dengan pelat-pelat atas memiliki potensial yang lebih besar daripada plat yang di bawah. Pada kasus ini, muncul gaya ketiga yaitu gaya qE yang
Tetes Minyak Milikan
Annisa Nurul Aini, Roihatur Rohmah, Fairus Salimatul, Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
bertindak sebagai muatan tetesan minyak. Karena q bermuatan negatif dan E secara langsng mengarah ke bawah, gaya listrik qE ini secara langsung ke atas seperti pada gambar 3 di bawah ini.
Gambar 3. Gaya pada Tetesan Minyak saat Dialiri Listrik Jika gaya ini sangat kuat, tetesan minyak tersebut akan bergerak ke atas dan FD’ bergerak ke bawah. Saat gaya listrik ke atas qE sebanding dengan jumlah gaya berat gravitasi mg dan Fd’, butiran minyak tersebut akan mencapai kecepatan terminal yang baru (v’) ke atas[1].
Dengan medan listrik yang menyala, butiran minyak bergerak perlahan ke atas, sekitar ratusan sentimeter per sekon. Setelah merekam ribuan tetes, Millikan dan asistennya menemukan semua tetesannya, dengan presisi 1%, memiliki muatan yang besarnya sama dengan muatan dasar e, dan dirumuskan sebagai
(2) Di mana e=1,6 10-19 C[1]. 5
Medan listrik adalah sebuah medan vektor, yang merupakan distribusi vektor-vektor, di mana setiap titik dalam ruangan di sekitar suatu objek bermuatan, seperti batang bermuatan, memiliki sebuah vektor (nilai dan arah). Ada dasarnya, medan listrik dapat didefinisikan pada suatu titik di dekat objek permuatan tersebut. Terdapat Muatan q0 yang disebut muatan uji di titik P, kemudian gaya elektrostatik F pada muatan tersebut diukur, hingga akhirnya E (medan listrik) dapat didefinisikan sebagai berikut
(3) Maka, magnitude medan listrik E di titik P adalah , dan arah E adalah sama dengan arah F yang bekerja ada muatan positif. Satuan internasional untuk medan listrik adalah Newton per Coloumb (N/C)[2].
Fluida yang riil memiliki gesekan internal yang besarnya tertentu yang disebut viskositas. Viskositas ada pada zat cair maupun gas, dan pada intinya merupakan gesekan antara lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida pada waktu laisan-lapisan tersebut bergerak satu melewati yang lainnya. Pada zat cair, viskositas terutama disebabkan oleh gaya kohesi antar molekul. Pada gas, viskositas muncul dari tumbukan antar molekul[3].
Fluida yang berbeda memiliki viskositas (kekentalan) yang berbeda pula. Viskositas zat yang berbeda dapat dinyatakan dengan μ (eta) yang disebut sebagai koefisien viskositas. Satu lapisan tipis fluida diletakkan diantara dua lempeng yang rata. Satu lempeng diam, dan satu lempeng bergerak dengan laju konstan. Fluida yang langsung bersentuhan dengan lempeng akan ditahan pada permukaan oleh gaya
adhesi antara molekul zat cair dengan lempeng. Sehingga, fluida yang bersentuhan dengan lempeng yang bergerak akan bergerak dengan kecepatan sama seperti lempeng dan fluida yang bersentuhan lempeng yang diam akan diam juga. Lapisan fluida yang diam menahan aliran lapisan yang persis di atasnya, dan begitu seterusnya, hingga terbentuk kecepatan yang bervariasi dari 0 hingga v. Perubahan kecepatan dibagi dengan jarak terjadinya perubahan ini yang disebut gradient kecepatan. Untuk menggerakkan lempeng yang atas diperlukan gaya yang besarnya dapat ditentukan dengan persamaan (3) di bawah ini[4].
(3) George Gabriel Stokes adalah seorang profesional yang menekuni tentang semua yang berkenaan dengan fluida. Stokes selalu meneliti segala peristiwa yang merupakan viskositas. Dari penelitiannya, George Stokes ini menemukan suatu persamaan yang menyatakan besarnya suatu gesek pada sebuah fluida dan persamaan tersebut dirumuskan sebagai
(4) Di mana F adalah Gaya Stokes, μ adalah koefisian viskositas, r adalah jari-jari bola atau benda dalam fluida, dan v adalah kecepatan bola dalam fluida[4].
II. METODOLOGI
A. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan ini adalah minyak parafin, sebagai objek yang menjadi pengamatan. Millikan Oil Apparatus yang berfungsi sebagai alat yang digunakan untuk mengamati butiran-butiran minyak. Sprayer, sebagai penyemprot minyak paraffin. Mikroskop, sebagai alat penglihat butiran-butiran minyak yang disemprot. Dan stopwatch sebagai pengukur waktu bituran minyak yang turun atau naik.
Sebelum digunakan untuk percobaan, terlebih dahulu alat dan bahan yang terdapat pada sub-bab A di atas dirangkai menjadi seperti pada gambar 4 di bawah ini.
Gambar 4. Rangkaian Alat Percobaan Tetes Minyak Millikan.
B. Langkah Kerja
Langkah pertama yang harus dilakukan dalam percobaan ini adalah, alat dan bahan disiapkan. Langkah kedua yaitu, tegangan input yang digunakan, diatur menggunakan multimeter. Kemudian minyak
paraffin disemprotkan ke ruang penyemprotan. Langkah keempat yaitu, satu butiran minyak dicari dan ditetapkan untuk dijadikan objek dan mikroskop digunakan untuk pengamatan tersebut. Langkah kelima, medan listrik diatur dan sudut pembalik digerakkan ke arah atas. Lalu, waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis bawah menuju garis batas atas diamati dan dicatat. Selanjutnya, posisi switch pembalik dikembalikan ke posisi awal. Langkah kedelapan yaitu, waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas atas menuju garis batas bawah diamati dan dicatat. Dan langkah yang terakhir adalah percobaan diulangi sebanyak lima kali dengan variasi tegangan input yang berbeda.
C. Rumus dan Contoh Perhitungan
Pada percobaan Tetes Minyak Millikan ini, setelah dilakukan percobaan dan didapatkan beberapa data berupa waktu butiran minyak untuk turun dan waktu butiran minyak untuk naik, dilakukanlah perhitungan untuk mendapatkan nilai jari-jari butiran dan muatan tiap butiran minyak. Maka, untuk mendapatkan nilai-nilai tersebut, digunakanlah persamaan (5) di bawah ini untuk mendapatkan nilai jari-jari dan persamaan (6) untuk mendapatkan nilai muatan.
(5)
(6) Untuk menghitungan nilai jari-jari dan muatan butiran minyak, dilakukanlah perhitungan seperti berikut. Diketahui : μparafin = 2,311 d = 0,005 m dmikroskop = 0,0005 m ρparafin = 920 kg/cm3 tnaik = 3,06 s tturun = 14,74 s Ditanya : r? q? Jawab : vgravitasi = = = 3,39 10-5 m/s vmedan = = = 16,34 10-5 m/s r = = = 47,7 10-5 m q = = = 1,025 10-10 C. D. Flowchart
Untuk mempermudah dan mempersingkat langkah kerja, langkah kerja ada sub bab C di atas dirangkum menjadi flowchart seperti pada gambar 5 di bawah ini.
Gambar 5. Flowchart Percobaan Tetes Millikan. III. PEMBAHASAN
A. Analisa Data
Dari percobaan yang telah dilakukan, maka akan didapatkan data berupa waktu minyak saat turun (t turun) dan waktu minyak saat naik (t naik). Berikut data-data tersebut disajikan dalam tabel 1 di bawah ini. Tabel 1. Data Hasil Percobaan Tetes Minyak Millikan.
V (Volt) t naik (s) t turun (s) 200 3.06 14.74 2.72 8.96 2.6 6.7 3.28 11.45 3.12 14.69 End Start
Alat dan bahan disiapkan.
Minyak paraffin disemprotkan ke ruang penyemprotan.
Tegangan input diatur.
Satu butiran minyak yang akan diamati, dicari dan ditetapkan.
Medan listrik diatur.
Waktu tempuh minyak untuk naik diamati dan dicatat.
Dilakuakn lima kali dengan variasi
tegangan input.
Tidak
Posisi switch dikembalikan pada posisi awal.
Waktu tempuh minyak untuk turun diamati dan dicatat.
300 3.37 20.45 4.03 26.32 3.11 6.07 3.91 16.9 3.99 25.15 400 5.34 9.29 3.13 14 3.73 14.96 3.76 20.16 3.95 18.54 B. Hasil
Dari data-data yang telah didapatkan seperti pada tabel 1 di atas, dilakukanlah perhitungan menggunakan persamaan (5) dan persamaan (6) untuk mencari nilai jari-jari butiran dan muatan butiran. Berikut data hasil perhitungan disajikan dalam tabel 2 di bawah ini. Tabel 2. Data Hasil Perhitungan Percobaan Tetes Minyak Millikan. V (Volt) t naik (s) t turun
(s) r (m) q ( C ) 200 3.06 14.74 0.000477 1.025 10-10 2.72 8.96 0.000526 1.372 10-10 2.6 6.7 0.000555 1.612 10-10 3.28 11.45 0.000476 1.015 10-10 3.12 14.69 0.000473 1.001 10-10 300 3.37 20.45 0.000446 5.599 10-11 4.03 26.32 0.000406 4.217 10-11 3.11 6.07 0.00053 9.344 10-11 3.91 16.9 0.000426 4.869 10-11 3.99 25.15 0.000409 4.312 10-11 400 5.34 9.29 0.000412 3.309 10-11 3.13 14 0.000475 5.051 10-11 3.73 14.96 0.00044 4.006 10-11 3.76 20.16 0.000427 3.663 10-11 3.95 18.54 0.000421 3.517 10-11 C. Pembahasan
Pada saat percobaan milik Robert Millikan, digunakan sinar-x dalam alatnya untuk mengionkan udara. Dengan begitu, elektron-elektron bebas akan mengikuti minyak yang dijatuhkan, dan memberi tetesan-tetesan minyak tersebut muatan negatif. Secara fisis, saat minyak disemprotkan ke dalam ruang (Millikan Apparatus), butir-butir minyak tersebut tidak memiliki muatan, dan bergerak ke bawah. Saat minyak tersebut diberi muatan, maka terdapat gaya listrik yang membuat butiran minyak tersebut bergerak ke atas. Butiran minyak tersebut dapat bergerak ke atas karena butiran-butiran tersebut mendapatkan muatan negatif dari udara yang terionisasi menjadi muatan negatif dan muatan positif saat terdapat gaya listrik. Apabila setiap tetesan memiliki muatan, dan Millikan melakukan berkali-kali pengulangan dengan ukuran butiran
minyak yang berbeda-beda, dengan asumsi, setiap butir minyak yang mengandung muatan, besar muatan adalah sutu keliapat dari bilangan-bilangan muatan saat tetes butiran terkecil.
Alat dan bahan yang digunakan pada percobaan ini adalah minyak parafin, sebagai objek yang menjadi pengamatan. Millikan Oil Apparatus yang berfungsi sebagai alat yang digunakan untuk mengamati butiran-butiran minyak. Sprayer, sebagai penyemprot minyak paraffin. Stopwatch sebagai pengukur waktu bituran minyak yang turun atau naik. Dan mikroskop, sebagai alat penglihat butiran-butiran minyak yang disemprot. Mikroskop digunakan dalam mengamati benda kecil tersebut karena mikroskop merupakan alat optik yang memiliki sifat semu, terbalik, dan diperbesar. Sehingga, mikroskop akan mempermudah penglihatan butiran-butiran yang kecil tersebut.
Berdasarkan turunan-turunan rumus dan menghasilkan rumus pada persamaan (6) dapat diketahui bahwa waktu berbanding terbalik denagn kecepatan. Sehingga, semakin besar waktu untuk menempuh suatu jarak, kecepatannya akan semakin kecil. Sedangkan pada persamaan (6), kecepatan sebanding dengan besar tegangan. Karena waktu berbanding terbalik dengan kecepatan, maka waktu berbanding terbalik pula dengan tegangan. Sehingga, semakin besar tegangan, waktu tempuh akan semakin kecil.
Dari percobaan yang dilakukan, berdasarkan persamaan (5) dan (6), maka dapat diketahui bahwa untuk nilai q, sesuai dengan teori sedangkan nilai r tidak sesuai dengan teori. Pada q, nilai yang didapatkan seharusnya, semakin besar nilai V, maka semakin kecil nilai q. Untuk tegangan 200 V, pernyataan ini sesuai. Namun untuk tegangan 300 V dan 400 V nilainya berkebalikan. Sedangkan untuk nilai tegangan terhadap jari-jari, seharusnya nilai antara keduanya adalah sebanding. Semakin besar nilai tegangan, semakin besar pula nilai jari-jarinya. Tetapi pada percobaan ini, nilainya berbanding terbalik. Sehingga semakin besar nilai tegangan, nilai jari-jarinya semakin kecil. Hal ini dikarenakan tidak meratanya medan listrik pada ruang tempat Millikan Apparatus. Karena seharusnya, setelah Millikan Apparatus diberi beda potensial, harus ditunggu beberapa menit terlebih dahulu sebelum disemprot minya agar medan listrik merata. Tetapi pada percobaan, setelah Millikan Apparatus diberi tegangan, minyak disemprotkan secara langsung, sehingga berdampak pada nilai jari-jari dan muatan yang tidak sesuai dengan teori.
IV. KESIMPULAN
Dari percobaan Tetes Minyak Milikan yang telah dilakukan, didapatkan hasil berupa jari-jari butiran pada saat tegangan 200 V adalah 501 10-6 m, jari-jari butiran pada saat tegangan 300 V adalahh 444 10-6 m, dan jari-jari butiran pada saat tegangan 400 V adalah 435 10-6 m. Sedangkan muatan butiran pada tegangan 200V adalah 1,21 10-10 C, muatan butiran pada tegangan 300 V adalah 5,67 10-11 C, dan muatan butiran saat tegangan 400 V adalah 3,91 10-11 C.
UCAPAN TERIMA KASIH
Terima kasih kepada Roihatur Rohmah, Fairus Salimatul selaku asisten laboratorium yang bersedia membagi ilmunya kepada kelompok kami. Terima kasih pula kepada Bapak Eddy Yahya selaku dosen pembimbing yang telah membimbing kami untuk mempelajari Fisika Modern lebih dalam lagi. Dan terima kasih untuk teman-teman satu kelompok, Kurnia Hastu, Andy Wardana, Rifki Cahya, Firdaus Nusur, Fachrina Utami, dan Risky Firman yang bersedia membantu dalam menyelesaikan laporan.
DAFTAR PUSTAKA
[1]Serway, Raymond. ”Physics for Scientist and Engineers.” Thomson Brooks. USA(2004)
[2]Halliday. ”Fisika Dasar II. ”Erlangga. Jakarta(2010)
[3]Dosen-Dosen Fisika ITS. “Fikia Dasar I.” Yanasika. Surabaya(2013)
