LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA MODERN. JUDUL PRAKTIKUM PENENTUAN MUATAN SPESIFIK (e/m) ELEKTRON

(1)

LAPORAN PRAKTIKUM

FISIKA MODERN

JUDUL PRAKTIKUM

PENENTUAN MUATAN SPESIFIK (

e/m

) ELEKTRON

OLEH:

NAMA

: THATHIT SUPRAYOGI

NIM

: 130322615513

OFFERING

: N-2

KELOMPOK

: 11

PEMBIMBING

: Dr. HARI WISODO, M. Si

LABORATORIUM FISIKA MODERN

JURUSAN FISIKA FMIPA

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

2015

(2)

PERCOBAAN 4

EKSPERIMEN e/m ELEKTRON

A. TUJUAN

1) Mengamati gerakan lingkaran atau spiral elektron dalam medan magnet. 2) Menghitung besarnya e/m elektron.

B. TEORI DASAR

1) Percepatan Elektron

Elektron dapat dipercepat jika konduktor dipanaskan, maka akan terjadi pelepasan elektron (discharge thermoelectron). Begitu juga dengan Katoda (-) yang ada dalam tabung pelucutan gas, elektron yang terlepas akan dipercepat gerakannya oleh beda potensial antara Katoda (-) dengan Anoda (+).

Elektron yang terlepas dan bergerak ke Anoda berupa sinar, sehingga disebut sinar Katoda. Jika Anoda diberi lubang, maka energi elektron saat melewati lubang memenuhi hukum kekekalan energi.

eV mv2  2 1 m eV v 2 ... (1) v = Kecepatan elektron (m/s) e = Muatan elektron.

V = Beda Potensial antara Katoda (-) dan Anoda (+). m = Massa elektron.

2) Gerakan Elektron dalam Medan Listrik

Untuk elektron yang bergerak tegak lurus garis medan magnet dapat ditentukan bahwa gaya Lorentz yang terjadi selalu tegak lurus terhadap kecepatan. Dengan demikian gaya Lorentz hanya mengubah arah kecepatan arah kecepatan partikel, tidak mengubah kelajuannya. Gaya Lorentz berfungsi sebagai gaya sentripetal sehingga gerakan elektron adalah gerak melingkar beraturan. Sesuai dengan hukum Newton II:

l Sentripeta Lorentz F F  R mv Sin B ev o 2 90   R mv eB ... (2) Dari persamaan (1) dan (2) diperoleh:

 

2 2 RB V m e _ _{... (3)}

(3)

3) Sepasang Coil Helmholtz

Pada eksperimen ini B yang ditimbulkan oleh sepasang Coil Helmholtz yaitu coil yang berbentuk lingkaran besar. Untuk satu kumparan besar induksi magnetnya:



₂ ₂



32 2 2 _R _z R I B o   ... (4)

Jika ada sepasang dan masing-masing Coil Helmholtz terdiri dari N kumparan, maka: R NI B ₃₂ o 5 8  ... (5) Dalam eksperimen ini N = 130 lilitan, R = 0,150 m dan



_o= 7

10 . 4  N/A2, maka: I B7,79.104 Wb/m2_{... (6)} C. DESAIN EKSPERIMEN D. LANGKAH EKSPERIMEN

1) Dalam posisi semua peralatan OFF, meneliti apakah set eksperimen sudah dirangkaikan seperti desain eksperimen.

2) Menghidupkan power supply untuk Coil Helmholtz sampai kira-kira 2 A. Bersamaan dengan hal ini, menghidupkan pula power supply untuk tegangan Anoda tabung discharge, secara perlahan-lahan, sambil mengamati Anoda-Katoda apakah sudah terlihat berkas elektron.

3) Jika berkas elektron sudah tampak pada ujung anoda-katoda, menaikkan perlahan-lahan tegangan tersebut sampai berkas elektron tersebut keluar. Mengusahakan agar lintasan berkas tidak lurus sehingga menumbuk dinding tahung discharge, tetapi melingkar. Hal ini dapat dilakukan dengan cara mengatur bersama-sama antara tegangan pada coil Helmholtz dan pada Anoda tabung discharge.

4) Menentukan, rnisalnya, jari-jari lingkaran lintasan elektron tersebut r=0.025 m. Mencatat tegangan Anoda dan arus coil pada sat itu.

5) Mengulangi langkah (4) untuk jari-jari 0,03 m, 0,035 m dan 0,040 m.

z R d B r  d l

(4)

E. TABEL PENGAMATAN

V (volt) I (ampere) r (mater) 180 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0250 ± 0,0025 203 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0275 ± 0,0025 236 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0300 ± 0,0025 266 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0325 ± 0,0025 303 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0350 ± 0,0025 349 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0375 ± 0,0025 394 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0400 ± 0,0025 438 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0425 ± 0,0025 489 ± 1 2,00 ± 0,01 0,0450 ± 0,0025 Nst jari-jari = 0,0025 m Nst voltmeter= 1 volt Nst ampermeter = 0,01 ampere F. ANALISIS DATA

Untuk menentukan nilai e/m dari hasil eksperimen dapat ditentukan menggunakan statistik kuadrat terkecil (fitting linier) dengan software origin pro 8.0. Sesuai dengan persamaan







4



2 2 2 7,79 10 2 1 /m x r e I V _ 

dengan pemodelan persamaan linier yabx sehingga ₂ I V

sebagai y , r2sebagai x, dan gradient garis/slope (b) adalah







7,79 10 4



2 2 1 /m x  e dengan a=0 adalah intercept. No. x (r2) y(V/I2) 1 0.00063 45 2 0.00076 50.75 3 0.0009 59 4 0.00106 66.5 5 0.00123 75.75 6 0.00141 87.25 7 0.0016 98.5 8 0.00181 109.5 9 0.00203 122.25

(5)

0.0006 0.0008 0.0010 0.0012 0.0014 0.0016 0.0018 0.0020 0.0022 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

V

/I

2 r 2 V/I2 fitting linier Equation y = a + b*x Adj. R-Square 0.99888

Value Standard Error

A Intercept 8.68299 0.88816

B Slope 55820.45 660.17587

Grafik hubungan antara

V/I

2

_dengan

_r

2

Ralat untuk gradient/slope

Penting) Angka (3 % 182 , 1 % 100 45 , 55820 17587 , 660 % 100      b sb R

Didapat nilai gradient/slope adalah



5,580,07



104dengan ralat 1,182% Menentukan nilai e/m :

















kg C 10 839 , 1 10 79 , 7 10 58 , 5 2 10 79 , 7 2 10 79 , 7 2 1 / 11 2 4 4 2 4 2 4            x x b m e x m e b





kg C 10 307 , 2 10 07 , 0 10 79 , 7 2 . 9 2 4 2 4 2          x S S b b m e m e

(6)

) 3 %( 2545 , 1 % 100 10 . 839 , 1 10 . 307 , 2 % 100 11 9 AP m e S R m e m e     

Jadi nilai e/m adalah 11

10 ). 02 , 0 84 , 1 (   m

e _{C/kg dengan ralat relatif 1,2545%.}

 Secara teori nilai e/m sebesar

kg C 10 758 , 1 kg 10 1 , 9 C 10 6 , 1 11 31 19      _ m e G. PEMBAHASAN

Pada eksperimen Thompson menunjukkan bahwa sinar katoda merupakan partikel-partikel yang jauh lebih ringan dari pada atom dan berada di semua bentuk benda. Hal ini ditunjukkan dengan menentukan perbandingan muatan per massa elektron (e/m). Pada praktikum penentukan muatan spesifik e/m elektron ketika elektron dipancarkan tegak lurus terhadap medan magnet homogen akan mengalami gerak melingkar pada laju yang sama dalam bidang yang tegak lurus medan magnet. 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.

Penentuan muatan spesifik e/m dapat dilakukan dengan berbagai cara, slah satunya dengan memanfaatkan tabung televise. Penelitian menggunakan tabung televisi sebagai tabung vakum karena tabung tersebut banyak didapatkan di pasaran, bahkan tegangan pemercepat (Va) dan

pemanas filamen yang digunakan telah tersedia didalam televisi tersebut, sehingga pelaksanaan eksperimen akan dapat dilakukan, dengan bahan-bahan yang mudah di peroleh dan biaya lebih relatif terjangkau (Elyakim N. S. Patty, Endiyas Waluyo, Liefson Jacobus, 2015).

Pada percobaan ini diperoleh jika kuat arus(I) menjadi variabel kontrol maka didapat tegangan (V) sebanding dengan jari-jari (r) lingkaran lintasan berkas elektron. Sehingga jika V diperbesar maka r nya juga akan lebih besar. Pada percobaan ini diperoleh

11 10 ). 02 , 0 84 , 1 (   m

e _{C/Kg dengan ralat relatif 1,2545%. Jika dibandingkan dengan nilai} teori yang telah ada, hasil dari percobaan yang telah dilakukan mendapatkan hasil yang hampir mendekati sama. Dengan nilai hasil e/m memiliki orde pangkat sebelas yang sama.

(7)

H. TUGAS

1. Dapatkan persamaan di bawah berdasarkan hukum Bio savart. Mulailah dengan meninjau dua buah koil (Helmholtz) searah z yang terpisah sejauh 2a=r. Selanjutnya analisalah pada pusat jari-jarinya ! 𝐻 = 8 5√5 𝐼 𝑟= 0.7155 𝐼 𝑟

Dari gambar tersebut dapat dijelaskan bahwa, jika titik p berada tepat di tengah kumparan (Z=a), maka karena arusnya searah, induksi magnet di titik p sama dengan nol. Induksi magnet di titik p adalah :

𝐵𝑍(𝑍) =𝜇0𝑁𝐼𝑅 2 2 { 1 (𝑅2_{+ 𝑍}2₎3⁄₂+ 1 ((2𝑎 − 𝑍)2_{+ 𝑅}2₎3⁄₂}

Turunan pertama dari BZ terhadap Z adalah : 𝑑𝐵𝑍 𝑑𝑍 = 𝜇₀𝑁𝐼𝑅2 2 {− 3 2 𝜕𝑍 (𝑅2_{+ 𝑍}2₎5⁄₂− 3 2 2(𝑍 − 2𝑎) ((2𝑎 − 𝑍)2_{+ 𝑅}2₎5⁄₂} 𝑑2_𝐵𝑍 𝑑𝑍2 = − 3𝜇0𝑁𝐼𝑅2 2 { 1 (𝑅2_{+ 𝑍}2₎5⁄2 −5 2 2𝑍2 (𝑅2_{+ 𝑍}2₎4⁄2+ 1 ((2𝑎 − 𝑍)2_{+ 𝑅}2₎5⁄2 −5 2 2(𝑍 − 2𝑎)2 ((2𝑎 − 𝑍)2_{+ 𝑅}2₎7⁄2} Karena Z=a, maka

𝑑2𝐵𝑍 𝑑𝑍2 = − 3𝜇0𝑁𝐼𝑅2 2 { 2𝑅2− 8𝑎2 (𝑅2_{+ 𝑍}2₎7⁄₂}

Turunan ini menjadi nol jika R2-4a=0, maka jarak kdua kumparan adalah 2a=R. Hal ini berarti bahwa jarak kedua kmparan harus sama dengan jari-jari kumparan, sehingga induksi magnet di titik p menjadi,

𝐵𝑍 =𝜇0𝑁𝐼 𝑅

8 53⁄2

Dalam eksperimen penenruan muatan spesifik (e/m) elektron, diketahui bahwa hubungan antara medan dan arus listrik adalah B=const.I diperoleh :

𝐵𝑍 =𝜇0𝑁𝐼 𝑅

8

53⁄2 dimana BZ=H=medan magnet yang digunakan, maka 𝐵𝑍 = 𝐻 =𝜇0𝑁𝐼 𝑅 8 5√5= 𝜇0𝑁0,7155 𝐼 𝑅

2. Lukislah gaya-gaya yang bekerja pada elektron pada beberapa posisi berbeda. Jelaskan berdasarkan hasil anda bagaimana seharusnya lintasan elektron tersebut !

Elektron dapat berpindah dari satu lintasan ke lintasan lainnya dengan menyerap atau memancarkan energi tertentu (Eawal=Eakhir). Berikut adalah gambar elektron beserta gaya-gaya yang bekerja padanya :

(8)

Bila sebuah partikel bermuatan listrik bergerak tegak lurus dengan medan magnet homogen yang mempengaruhi selama geraknya, maka muatan akan bergerak dengan lintasan berupa lingkaran. Sebuah muatan positif bergerak dalam medan magnet B (dengan arah menmbus bidang), secara terus menerus (gambar p) akan membentu lintasan lingkaran dengan gaya Lorentz yang timbul menuju ke pusat lingkaran. Demikian juga untuk muatan negatif (gambar q), gaya Lorentz yang membentuk lingkaran ini mengarah ke pusat lingkaran dan disebut gaya sentripetal. Setiap benda yang bergerak membentuk lintasan lingkaran harus tetap diberikan gaya agar benda tersebur tetap berputar.

3. Bagaimana agar gerak lektron membentuk lintasan spiral ?

Supaya elektron mempunyai gerakan spiral adalah diberikan medan magnet kedua dengan arah tegak lurus medan magnet yang pertama. Dengan tujuan ada gaya lorentz yang mendorong elektron bergerak pindah dari posisi melingkar satu ke posisi melingkar berikutnya, sehingga kalau diamati pergerakan elektron tersebut spiral. Sebenarnya pada pergerakan spiral elektron masih dimungkinkan melakukan eksperimen e/m elektron, tapi yang menjadi kendala adalah tingkat ketelitian dan pengamatan sangat sulit dilakukan. 4. Bagaimana jika dalam kondisi gerak melingkar, sebatang magnet batang didekatkan pada

tabung tersebut ? jelaskan apa yang terjadi !

Apabila salah satu kutub magnet batang didekatkan, maka akan timbul medan magnet yang mempengaruhi gerak elektron. Penyimpangan pergerakan elektron bergantung pada kutub magnet yang didekatkan.

5. Gambarkan medan magnet dari koil Helmholtz dalam eksperimen anda dan medan magnet bumi? Gunakan magnet jarum (kompas). Bagaimana pengaruhnya?

Pada gambar di atas dapat dilihat (gambar a) medan magnet dari koil Helmholtz terlihat menyimpang bahkan tegak lurus terhadap arah utaradan selatan bumi. Pada gambar b arah medan magnet bumi juga menyimpang terhadap selatan-utara geografis.

Menurut percobaan Oersted, membuktika bahwa arus listrik dalam konduktor menghasilkan medan magnet disekitarnya. Jika magnet jarum (kompas) didekatkan dengan kawat tersebut, maka jarum kompas akan menyimpang. Hal ini sama halnya saat jarum kompas didekatkan pada koil Helmholtz yang dialiri arus listrik, jarum tersebut juga akan menyimpang.

(9)

I. KESIMPULAN

Berdasarkan percobaan penentuan muatan spesifik (e/m) elektron dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut

1) Apabila elektron bergerak dengan arah tegak lurus terhadap medan magnet, maka elektron akan bergerak melinkar beraturan. Katoda menghasilkan elektron yang dipercepat dengan beda potensial menuju Anoda dengan membentuk sinar katoda, sehingga pergerakan elektron dapat diamati dalam tabung discharge.

2) Pada percobaan ini diperoleh 11

10 ). 02 , 0 84 , 1 (   m

e _{C/Kg dengan ralat relatif}

1,2545%

J. DAFTAR PUSTAKA

Beiser Arthur. 1982. Fisika Modern. Jakarta : Erlangga.

Elyakim N. S. Patty, Endiyas Waluyo, Liefson Jacobus. 2015. PENGUKURAN e/m elektron

MENGGUNAKANTABUNG TELEVISI (TV) DAN KUMPARAN HELMHOLTZ.

Vol 1, No, 1. Januari 2015 :e-ISSN : 2407-795X

Ronald Gantreau dan William Savin. 1995. Fisika Modern. Jakarta : Erlangga.

Team Pembina Mata Kuliah Fisika Modern. 2015. Petunjuk Eksperimen Fisika Modern. Malang : Jurusan Fisika FMIPA UM.

(10)

(11)

e-Journal Penelitan Pendidikan IPA

e-JOURNAL

PENELITIAN PENDIDIKAN IPA

http://jurnal.unram.ac.id/index.php/jpp-ipa

e-ISSN : 2407-795X

Vol 1, No, 1 Januari 2015

PENGUKURAN e/m elektron MENGGUNAKAN

TABUNG TELEVISI (TV) DAN KUMPARAN HELMHOLTZ

Elyakim N. S. Patty1, Endiyas Waluyo 2, Liefson Jacobus3

Program Studi Fisika Fakultas Fisika Komputer Universitas Kristen Immanuel123

elyakim_nsp@yahoo.co.id

Key Words Abstract e/m of electrons,

television tubes and Helmholtz coils

The purpose of this research is to determine the comparison value between e/m of electrons in the use of CRO television tube and use to examine the quality of the experimental method that was is by comparing the experimental method from J. J. Thomson. This research regarded as an experimental method, conducted by measuring the different of light points on the screen television tube to get the radius of electron motion. The data interpreted into a graph to a quaeter radius of current on the coil magnetic field Helmohltz I (amperes). This graph is used to find e/m value of electron and the

result is: ₂₄_.₇₄₇ _% Kg C 10 . 641 , 1 11 _± = m e

Kata Kunci Abstrak

e/m elektron, tabung televisi dan kumparan Helmholtz

Tujuan penelitian ini untuk menentukan nilai perbandingan antara e/m elektron dengan penggunaan tabung CRO TV dan menguji kualitas metoda eksperimen yang digunakan dengan membandingkan metoda eksperiman yang dilakukan oleh J.J Thomson. Penelitian ini termasuk jenis penelitian eksperimen, dilakukan dengan cara mengukur perubahan jarak titik-titk pada layar tabung TV sehingga diperoleh jari-jari dari gerakan electron. Data tersebut kemudian diinterpretasikan kedalam grafik hubungan terhadap seper jari-jari 1/r (1/meter) terhadap arus pada kumparan medan magnet Helmohltz I (ampere). Dan dari grafik tersebut digunakan untuk mencari nilai e/m elektron dengan hasil akhir

% 747 . 24 Kg C 10 . 641 , 1 11 _± = m e .

(12)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X

Vol 1, No 1 (2015)

148

PENDAHULUAN

Nama elektron diusulkan oleh G. J. Stony. Penemuan elektron dimulai dari eksperimen yang dilakukan oleh J. J. Thomson (1897) dengan tabung sinar katoda (Lilik Hidayat S, 2004). Berdasakan eksperimen tersebut, perbandingan antara muatan listrik dengan masa sinar katoda dapat ditentukan. Sinar katoda ini merupakan pancaran elektron. Dan hasil eksperimennya sebesar:

Kg C 11 10 X 76 , 1 = m e (1)

Masih banyak lagi fisikawan yang telah melakukan eksperimen tersebut. Jadi bukanlah hal yang baru untuk melakukan eksperimen ini. Namun eksperimen yang dilakakukan relatif mahal dan susah terjangkau bagi para siswa atau mahasiswa untuk melakukan eksperimen fisika moderen khususnya untuk menghitung nilai e/m electron. Oleh karena itu Penulis melakukan eksperimen menentukan e/m electron dengan menggunakan tabung televisi (TV) hitam-putih 10inci dan kumparan Helmholtz.

Peneliti menggunakan tabung televisi sebagai tabung vakum karena tabung tersebut banyak didapatkan di pasaran, bahkan tegangan pemercepat (Va) dan pemanas filamen yang digunakan telah tersedia didalam televisi tersebut, sehingga pelaksanaan eksperimen akan dapat dilakukan, dengan bahan-bahan yang mudah di peroleh dan biaya lebih relatif terjangkau. Teori perhitungan e/m electron sebagai berikut:

e/m electron

Gambar 1: cara kerja pelepasan elektron dari katoda ke anoda

Filamen panas akan melepaskan elektron-elektron katoda, dan ketika diberikan beda potensial maka elektron-elektron bergerak dipercepat menuju anoda . Elektron dengan masa m dan muatan e, setelah dipercepat dengan beda potensial Va akan bergerak dengan kecepatan sebesar V sehingga energi potensial diubah menjadi energi kinetic sebesar:

(13)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X Vol 1, No 1 (2015) 149 a a V m e eV m 2 2 1 2 2 ν ν = → = (2)

Gambar 2: elektron bergerak dalam medan magnet B

Bila elektron bergerak dengan kecepatan v berada di dalam medan magnet B, maka elektron tersebut akan mengalami gaya Lorentz (seperti tampak pada gambar 2) sebesar:

Bev

F_L = ₍₃₎

Gaya Lorentz ini menyebabkan elektron bergerak melingkar, dengan gaya sentripetal yang bekerja padanya, sehingga:

ν ν e B r m = 2 (4) atau r B m e v = (5)

jika persamaan tadi digabungkan menjadi:

2 2 2 r B V m e = a (6)

Medan magnet yang dibangkitkan oleh kumparan Helmholtz (Debyana S, 2008), besarnya bergantung arus (i) yang melewatinya, menurut persamaan:

i k

B = ₍₇₎

Dengan k merupakan suatu konstanta yang nilainya tergantung pada kumparan yang digunakan 5 5 8 ₀ b N k =

µ

. (8)

Eksperimen Teori e/m Yang Dilakukan Joseph John Thomson

Seperti yang yang telah dijabarkan diatas. Elektron merupakan partikel dasar penyusun atom yang pertama kali ditemukan. Elektron ditemukan oleh Joseph John

v Fb v elektron v v

(14)

Vol 1, No 1 (2015)

150 Thompson pada tahun 1897 (Edi Santoso, 2003). Elektron ditemukan dengan menggunakan tabung kaca yang bertekanan sangat rendah yang tersusun oleh:

• Plat logam sebagai elektroda pada bagian ujung tabung

• Katoda, elektroda dengan kutub negatip dan anoda, elektrode dengan kutub positif. Listrik bertekanan tinggi yang dialirkan melalui plat logam mengakibatkan adanya sinar yang mengalir dari katoda menuju anoda yang disebut sinar katoda. Tabung kaca bertekanan rendah ini selanjutnya disebut tabung sinar katoda. Adanya sinar katoda membuat tabung menjadi gelap. Sinar katoda tidak terlihat oleh mata akan tetapi keberadaannya terdeteksi melalui gelas tabung yang berpendar akibat adanya benturan sinar katoda dengan gelas tabung kaca.

Joseph John Thomson selanjutnya melakukan penelitian untuk menentukan perbandingan harga muatan elektron dan massanya (e/m). Hasil penelitian menunjukkan bahwa sinar katoda dapat dibelokkan oleh medan listrik dn medan magnet. Pembelokan memungkinkan pengukuran jari-jari kelengkungan secara tepat sehingga perbandingan nilai muatan elektron dan massanya dapat ditentukan sebesar:

g C 8 10 X 76 , 1 .

Gambar 3: Tabung Sinar Katoda

(15)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), ISSN 2407-795X

Gerakan Elektron Pada Tabung TV

Dalam percobaan ini menggunakan tabung sinar ka

televisi (TV), yang telah disediakan tegangan pemanas filamen dan tegangan pemercepat Va Di bagian televisi Defleksi youke

diberikan pada filamen pada ekor tabung televisi, katoda elektron, sedangkan elektron

elektron yang bergerak menuju ke anoda hanya elektron

yang besar saja. Oleh karena itu diperkuat dengan tegangan pe elektron-elektron tersebut menyentuh pada lapisan

2006). Tampak dari tabung televisi hanyalah sebuah seberkas titik cahaya, hal ini dikarenakan elektron-elektron yang menumbuk atom

menyebabkan atom tersebut tereksitasi disusul deeksitasi dengan memancarkan cahaya tampak.

Gambar 5: seberkas titik cahaya tampak pada tabung televisi

Besar pindahannya seberkas cahaya tadi tergantung pada arus (i) yang mengalir pada medan magnet helmholtz, perpindahan titik

perhitungan e/m yang disebabkan adanya gaya Lorentz ini (gambar

elektron bergerak melingkar, dan gaya sentripetal yang bekerja padanya mengikuti persamaan berikut:

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 Vol 1, No 1

Gerakan Elektron Pada Tabung TV

Dalam percobaan ini menggunakan tabung sinar katoda yang berasal dari

telah disediakan tegangan pemanas filamen dan tegangan pemercepat Defleksi youke (DY) dan Verit telah dilepaskan.

diberikan pada filamen pada ekor tabung televisi, katoda akan melepaskan elektron elektron, sedangkan elektron-elektron tersebut akan bergerak menuju anoda, elektron elektron yang bergerak menuju ke anoda hanya elektron-elektron yang memiliki tenaga yang besar saja. Oleh karena itu diperkuat dengan tegangan pemercepat

elektron tersebut menyentuh pada lapisan posfor di tabung televise

. Tampak dari tabung televisi hanyalah sebuah seberkas titik cahaya, hal ini elektron yang menumbuk atom-atom dalam tabung

menyebabkan atom tersebut tereksitasi disusul deeksitasi dengan memancarkan cahaya

Besar pindahannya seberkas cahaya tadi tergantung pada arus (i) yang mengalir et helmholtz, perpindahan titik-titik ini untuk menentukan jari

perhitungan e/m yang disebabkan adanya gaya Lorentz ini (gambar

elektron bergerak melingkar, dan gaya sentripetal yang bekerja padanya mengikuti

ν ν e B r m = 2 Vol 1, No 1 (2015) 151 toda yang berasal dari tabung telah disediakan tegangan pemanas filamen dan tegangan pemercepat telah dilepaskan. Saat tegangan akan melepaskan elektron tersebut akan bergerak menuju anoda, elektron-elektron yang memiliki tenaga

mercepat Va sehingga televise (Daryanto, . Tampak dari tabung televisi hanyalah sebuah seberkas titik cahaya, hal ini atom dalam tabung TV akan menyebabkan atom tersebut tereksitasi disusul deeksitasi dengan memancarkan cahaya

Besar pindahannya seberkas cahaya tadi tergantung pada arus (i) yang mengalir titik ini untuk menentukan jari-jari pada perhitungan e/m yang disebabkan adanya gaya Lorentz ini (gambar 5) menyebabkan elektron bergerak melingkar, dan gaya sentripetal yang bekerja padanya mengikuti

(16)

Vol 1, No 1 (2015)

152 Tetapi dalam gerakan elektron yang melingkar pada eksperimen ini tidaklah penuh yang disebabkan medan magnet hanya ada dalam helmholtz tidak sampai di luar, tampak pada gambar 6.

Sebelum mencari jari-jari (r) pada gerakan elektron, terlebih dahulu tentukan nilai Y’ (dengan anggapan sudut sangat kecil sehingga berbentuk segitiga)

' ' l Y l Y ₌ (10) l l Y Y '= ' (11)

Gambar 6: gerakan elektron

Gambar 7: gaya lorentz menyebabkan elektron bergerak melingkar

Dalam gerakan elektron yang melingkar yang disebabkan adanya gaya Lorentz ini kita dapat menghitung jari-jari (r) seabagai berikut:

l’ l’

y’

l’ =_{jarak dari pusat elektron sampai medan magnet} helmholtz hilang

(17)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X Vol 1, No 1 (2015) 153

(

)

2 ' 2 ' 2 2 ' ' 2 2 ' 2 2 2 ' ' 2 2 2 ' 2 2 ' 2 ' 2 y l ry y ry l r r y ry r l r y r l r − = − + − = − + − + = − + = ' 2 2 ' 2 ' y y l r = + ₍₁₂₎

Gerakan elektron-elektron yang bergerak lurus tadi akan dibelokkan dengan medan magnet helmholtz. Seberkas titik cahaya yang tampak pada layar tadi akan berpindah tempat

Gambar 8: perpindahan titik yang diakibatkan adanya medan magnet Helmholtz.

METODE

Desain Penelitian

Dalam penelitian ini merangkai atau mendesain alat-alat yang dijadikan sebagai penelitian seperti yang terlihat dibawah ini:

1. Tampak dari atas

Gambar 9: Rangkaian tabung dengan kumparan Helmholtz.

A r r A r us K o n s t a n Fla y b a c k K um pa ra n H elm ho t z Fila m e n Ta bu n g TV K e t : r = J ar i - jar i

(18)

Vol 1, No 1 (2015)

154

2. Rangkaian pembagi tegangan pemercepat

Gambar 10.: Rangkaian untuk mengukur dan memvariasikan tegangan (R1 membagi atau memvariasikan tegangan dan R2 dan R3 rangkaian untuk mengukur tegangan)

Untuk menghitung tegangan pemercepat pada flayback:

(

)

(

)

X VCRT v R R R v R R V // 3 2 // 3 + =

(

)

(

)

X V v R R v R R R CRT V // 3 // 3 2 + = ₍₁₃₎

Perinsip Kerja Alat Percobaan

Prinsip kerja pada percobaan ini adalah dengan menggantikan Defleksi Youke (DY) pada tabung televisi (TV) dengan kuparan Helmholtz sebagai pengganti medan magnet. Pada ekperimen ini, kumparan helmoltz disetiap percobaan akan divariasikan jumlah lilitannya (N) yaitu 100, 150, 200, 250 dan 300.

Eksperimen yang Dilakukan

Eksperimen yang dilakukan oleh penulis adalah: 1. Perhitungan e/m

Perhitungan e/m yang digunakan dengan persamaan (6)

2 2 2 r B a V m e =

2. Perhitungan jari-jari (r) dari gerakan elektron melingkar yang disebabkan gaya Lorentz dari persamaan (12)

(19)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X Vol 1, No 1 (2015) 155 ' 2 2 ' 2 ' y y l r= +

Dalam perhitungan e/m menggunakan persamaan linier y=ax+b, menjadi: Volltase (V_a) yang konstan dan dengan arus (i) yang divariasi

ki m e a V r B m e a V r r B a V m e 1 2 2 1 2 2 2 2 2 = = = x a y i a V k m e r = ↓ ↓ ↓ = 2 2 1 (14)

3. Perhitungan e/m dengan persamaan (14) dilakukan berkali-kali dengan medan magnet yang berbeda-beda, yang divariasikan adalah N dari

5 5 8 0 b i N Bh µ =

TEKNIK ANALISA DATA

Analisa data pada eksperimen ini digunakan perhitungan secara grafik dan prinsip regresi linier dengan ralat-ralat yang digunakan dengan teori perambatan ralat

Hasil Eksperimen

Data percobaan 1 dengan N=100 lilitan dan l = 0,15 m

(20)

Vol 1, No 1 (2015)

156

I(A) Y(cm) Y'=Y*L'/L r = l'^2 + y'^2 / 2 * y' r = r/100 (m) 1/r (1/m)

0 0 0 0 0 0 0,02 0,1 0,03 337,515 3,37515 0,296283128 0,04 0,2 0,06 168,78 1,6878 0,592487262 0,06 0,3 0,09 112,545 1,12545 0,888533475 0,08 0,4 0,12 84,435 0,84435 1,184342986 0,1 0,5 0,15 67,575 0,67575 1,479837218 0,12 0,6 0,18 56,34 0,5634 1,774937877 0,14 0,7 0,21 48,31928571 0,483192857 2,069567017 0,16 0,8 0,24 42,3075 0,423075 2,363647107 0,18 0,9 0,27 37,635 0,37635 2,657101103 0,2 1 0,3 33,9 0,339 2,949852507 0,22 1,1 0,33 30,84681818 0,308468182 3,241825442 0,24 1,2 0,36 28,305 0,28305 3,532944709 0,26 1,35 0,405 25,2025 0,252025 3,967860331 0,28 1,45 0,435 23,49336207 0,234933621 4,256521468 0,3 1,55 0,465 22,00669355 0,220066935 4,544072002 0,32 1,7 0,51 20,10794118 0,201079412 4,973159565 0,34 1,8 0,54 19,02 0,1902 5,257623554 0,36 1,9 0,57 18,04815789 0,180481579 5,540731668 0,38 2 0,6 17,175 0,17175 5,822416303 0,4 2,1 0,63 16,38642857 0,163864286 6,102611046 0,42 2,2 0,66 15,67090909 0,156709091 6,381250725 0,44 2,35 0,705 14,71420213 0,147142021 6,796155111 0,46 2,45 0,735 14,1430102 0,141430102 7,070630549 0,48 2,6 0,78 13,37076923 0,133707692 7,479001266 0,5 2,7 0,81 12,905 0,12905 7,748934522 0,52 2,8 0,84 12,47357143 0,124735714 8,016950123

Gambar 11: grafik terhadap seper jari-jari 1/r (1/meter) terhadap arus pada kumparan medan magnet helmohltz I (ampere) dengan jumlah 100 lilitan

Perhitungan e/m dari persamaan 14 dengan menggunakan grafik

x a y i a V k m e r = ↓ ↓ ↓ = 2 2 1

dengan gradien yang didapatkan dari grafik adalah a=15.323. Sehingga e/m biasa

didapatkan: a V k m e a a V k m e a 2 2 2 2 2 = =

(21)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X Vol 1, No 1 (2015) 157 2 2 2 k a V a m e = (15)

Dimana b jari-jari dari lingkaran helmholtz b=0,045m, dan V_a =1153,26volt

didapatkan dari persamaan 13 dimana R₂ =10MΩ±5%, R₃ =0,1MΩ±5%, R_V =1MΩ±5% dan V

pada voltmeter = 10,4 V sehingga:

(

)

(

)

V 26 , 1153 4 . 10 091 , 0 091 , 0 10 091 , 0 R dengan pararel R dimana // // v 3 3 3 2 = + = = + = CRT CRT v v CRT V X V V X R R R R R V

Dan kostanta k pada medan Helmholtz (Debyana S 2008) adalah:

A.m / Wb 7 10 . 69523 , 19981 5 . 045 , 0 . 5 7 10 . 4 . 8 100 5 5 0 8 m 045 , 0 lilitan 100 − = − = = = = k k b N k b N π µ (16) Jadi : Kg / C 11 10 . 356 , 1 2 ) A.m / Wb 7 10 . 69523 , 19981 ( V 26 , 1153 . 2 2 323 , 15 2 2 2 = − = = m e m e k a V a m e

(22)

Vol 1, No 1 (2015)

158 I (A) y (cm) Y'=Y*L'/L r = l'^2+ y'^2 / 2 * y' r= r/100 (m) 1/r (1/m)

0 0 0 0 0 0 0,0104 0,1 0,031034483 326,2655172 3,262655172 0,306498832 0,02 0,2 0,062068966 163,1560345 1,631560345 0,612910214 0,03 0,3 0,093103448 108,7965517 1,087965517 0,919146778 0,04 0,4 0,124137931 81,62456897 0,81624569 1,225121324 0,05 0,5 0,155172414 65,32758621 0,653275862 1,530746899 0,0602 0,6 0,186206897 54,46810345 0,544681034 1,835936882 0,07 0,7 0,217241379 46,71576355 0,467157635 2,140605064 0,0807 0,8 0,248275862 40,90538793 0,409053879 2,444665729 0,09 0,85 0,263793103 38,51424949 0,385142495 2,596441611 0,1 1 0,310344828 32,78017241 0,327801724 3,050624589 0,11 1,1 0,34137931 29,82978056 0,298297806 3,35235453 0,1306 0,2 0,062068966 25,29787798 0,25297878 3,952900716 0,14 1,3 0,403448276 23,52081281 0,235208128 4,251553754 0,15 1,4 0,434482759 22,725 0,22725 4,400440044 0,16 1,45 0,45 21,28890434 0,212889043 4,697282604 0,17 1,55 0,481034483 20,02876176 0,200287618 4,992819887 0,1806 1,65 0,512068966 18,91440887 0,189144089 5,286974639 0,1908 1,75 0,543103448 18,40431034 0,184043103 5,433509766 0,2 1,8 0,55862069 17,46588022 0,174658802 5,725448632 0,22 1,9 0,589655172 15,86157635 0,158615764 6,304543619 0,23 2,1 0,651724138 15,17092476 0,151709248 6,591555989 0,24 2,2 0,682758621 14,54167916 0,145416792 6,876784923 0,25 2,3 0,713793103 13,96616379 0,139661638 7,160162338

Gambar 12.: grafik terhadap seper jari-jari 1/r (1/meter) terhadap arus pada kumparan medan magnet helmohltz I (ampere) dengan jumlah 150 lilitan

Perhitungan e/m dari persamaan (14) dengan menggunakan grafik dan gradien yang didapatkan dari grafik adalah a=29,073. Sehingga e/m didapatkan dari persamaan

(15).

Dimana b jari-jari dari lingkaran helmholtz b=0,045m, dan

volt 791 , 160 dan volt 121 , 887 ∆ = = V_a a

V didapatkan dari persamaan (13) dimana R₂ =10MΩ±5%,

% 5 1 , 0 3= MΩ±

R , R_V =1MΩ±5% dan V pada voltmeter = 8 V. Sehingga kostanta k pada

(23)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X Vol 1, No 1 (2015) 159 A.m / Wb 7 10 . 54285 , 29972 m 045 , 0 l 150 − = = = k b N Jadi : Kg / C 11 10 . 669 , 1 2 .) A.m / Wb 7 10 . 54285 , 29972 ( 121 , 887 . 2 2 073 , 29 2 2 2 = − = = m e m e k a V a m e

Tabel 3: data percobaan 3 dengan N= 200 lilitan

I (A) Y (cm) Y'=Y*L'/L r = l'^2 + y'^2 / 2* y' r = r/100 (m) 1/r (1/m)

0 0 0 0 0 0 0.0201 0.2 0.062068966 163.1560345 1.631560345 0.612910214 0.0403 0.4 0.124137931 81.62456897 0.81624569 1.225121324 0.0604 0.6 0.186206897 54.46810345 0.544681034 1.835936882 0.0803 0.8 0.248275862 40.90538793 0.409053879 2.444665729 0.1004 1 0.310344828 32.78017241 0.327801724 3.050624589 0.1203 1.2 0.372413793 27.3737069 0.273737069 3.653140599 0.1402 1.4 0.434482759 23.52081281 0.235208128 4.251553754 0.1604 1.6 0.496551724 20.63890086 0.206389009 4.845219262 0.1805 1.8 0.55862069 18.40431034 0.184043103 5.433509766 0.2 2 0.620689655 16.62284483 0.166228448 6.015817451 0.22 2.2 0.682758621 15.17092476 0.151709248 6.591555989 0.24 2.4 0.744827586 13.96616379 0.139661638 7.160162338 0.26 2.55 0.79137931 13.1898073 0.131898073 7.5816119 0.28 2.8 0.868965517 12.08626847 0.120862685 8.273852283

(24)

Vol 1, No 1 (2015)

160 Gambar13: grafik terhadap seper jari-jari 1/r (1/meter)

terhadap arus pada kumparan medan magnet helmohltz I (ampere) dengan jumlah 200 lilitan

Perhitungan e/m dari persamaan (14) dengan menggunakan grafik dan gradien yang didapatkan dari grafik adalah a=29,826. Sehingga e/m dari persamaan (15). Dimana b

jari-jari dari lingkaran helmholtz b=0,045m, dan V_a =1330,681volt dan ∆V_a =231,76volt didapatkan

dari persamaan (13) dimana R₂ =10MΩ±5%, R₃=0,1MΩ±5%, R_V =1MΩ±5% dan V pada

voltmeter = 12 V. Sehingga kostanta k pada medan Helmholtz adalah:

A.m / Wb 7 10 . 399047 , 39963 m 045 , 0 l 200 − = = = k b N Jadi : Kg / C 11 10 . 482 , 1 2 .) A.m / Wb 7 10 . 39047 , 39963 ( 681 , 1330 . 2 2 826 , 29 2 2 2 = − = = m e m e k a V a m e

Data percobaan 4 dengan N=250 l dan l = 0,15 m

(25)

Vol 1, No 1 (2015)

161 I (A) Y (cm) Y'=Y*L'/L r = l'^2 + y'^2 / 2* y' r = r/100 (m) 1/r (1/m)

0 0 0 0 0 0 0.023 0.25 0.075 135.0375 1.350375 0.740535 0.0405 0.5 0.15 67.575 0.67575 1.479837 0.067 0.75 0.225 45.1125 0.451125 2.216681 0.085 0.95 0.285 35.66881579 0.356688158 2.803569 0.1006 1.2 0.36 28.305 0.28305 3.532945 0.1209 1.45 0.435 23.49336207 0.234933621 4.256521 0.1407 1.55 0.465 22.00669355 0.220066935 4.544072 0.1606 1.75 0.525 19.54821429 0.195482143 5.115557 0.1804 2.1 0.63 16.38642857 0.163864286 6.102611 0.2 2.35 0.705 14.71420213 0.147142021 6.796155 0.22 2.45 0.735 14.1430102 0.141430102 7.070631

Gambar 14: grafik terhadap seper jari-jari 1/r (1/meter) terhadap arus pada kumparan medan magnet helmohltz I (ampere) dengan jumlah 250 lilitan

jari-jari dari lingkaran helmholtz b=0,045m, dan V_a =1885,681volt dan ∆V_a =320,566volt didapatkan

A.m / Wb 7 10 . 23809 , 49954 m 045 , 0 l 250 − = = = k b N Jadi :

(26)

Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X Vol 1, No 1 (2015) 162 Kg / C 11 10 . 665 , 1 2 .) A.m / Wb 7 10 . 23809 , 49954 ( 681 . 1885 . 2 2 193 . 33 2 2 2 = − = = m e m e k a V a m e

Data percobaan 5 dengan N=300 l dan l = 0,145 m

Tabel 5: Tabel data percobaan 5 dengan N= 300 lilitan

**I (A) Y (m) Y'=YL'/L r = l'^2 + y'^2 / 2 y' r = r/100 (m) 1/r (1/m)**

0

0 0.0201 0.3 0.093103448

108.7965517

1.087965517 0.919147

0.0407 0.6 0.186206897

54.46810345

0.544681034 1.835937

0.0603 0.9 0.279310345

36.38965517

0.363896552 2.748034

0.0801 1.1 0.34137931

29.82978056

0.298297806 3.352355

0.1002 1.5 0.465517241

21.98275862

0.219827586 4.54902

0.1208 1.8 0.55862069

18.40431034

0.184043103 5.43351

0.1402 2.1 0.651724138

15.86157635

0.158615764 6.304544

0.1603 2.4 0.744827586

13.96616379

0.139661638 7.160162

0.1805 2.6 0.806896552

12.9515252

0.129515252 7.721098

Gambar 15: grafik terhadap seper jari-jari 1/r (1/meter) terhadap arus pada kumparan medan magnet helmohltz I (ampere) dengan jumlah 300 lilitan

(27)

jari-Jurnal Penelitian Pendidikan IPA (JPPIPA), Januari 2015 ISSN 2407-795X

Vol 1, No 1 (2015)

163 jari dari lingkaran helmholtz b=0,045m, dan V_a =1885,681volt dan ∆V_a =320,566volt didapatkan

A.m / Wb 7 10 . 0857 , 59954 m 045 , 0 l 300 − = = = k b N Jadi : Kg / C 11 10 . 047 , 2 2 .) A.m / Wb 7 10 . 0857 , 59954 ( 681 , 1885 . 2 2 167 , 44 2 2 2 = − = = m e m e k a V a m e . KESIMPULAN

Pada pengukuran ini didapatkan suatu nilai tetapan perbandingan antara elektron dengan masa elektron e/m yang setiap alat (N pada helmholtz) berbeda menunjukan nilai yang bebeda pula. Yang menunjukan keefektifan suatu alat untuk dipakai sebagai acuan untuk mengukur suatu tetapan tertentu, tetapan e/m yang diambil dari percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thomson (1897) dengan tabung sinar katoda yaitu sebesar:

Kg C 11 10 X 76 , 1 = m e

Sehingga dapat kita bandingkan dengan nilai-nilai tetapan yang didapatkan:

lilitan 0 30 N dengan ; Kg / C 11 10 . 047 , 2 lilitan 250 N dengan ; Kg / C 11 10 . 665 , 1 lilitan 200 N dengan ; Kg / C 11 10 . 482 , 1 lilitan 150 N dengan ; Kg / C 11 10 . 669 , 1 lilitan 100 N dengan ; Kg / C 11 10 . 356 , 1 = = = = =

(28)

Vol 1, No 1 (2015)

164 Dari 5 hasil data, didapatkan, rata-rata

Kg C 11 10 . 641 , 1 = m e _{dan dengan}

menggunakan ralat maksimal didapatkan ralat

Kg C 11 10 . 406 , 0 = ∆ m e _sehingga % 747 . 24 Kg C 11 10 . 641 , 1 ± = m

e _{menyatakan bahwa dalam eksperimen ini sudah hampir}

mendekati hasil dengan nilai konstanta e/m pada percobaan J.J. Thomson sebesar:

Kg C 11 10 X 76 , 1 = m e dengan 6,76%.

Berdasarkan uraian di atas dapat disimpulkan bahwa Perhitungan e/m mengunakan tabung telelevisi dengan kumparan helmholtz sudah cukup baik dan tidak terlalu rumit, kiranya dapat bermanfaat untuk berpikir kritis dan analitis, serta melatih keterampilan dan kecermatan dalam experimentasi di samping untuk menanamkan metode ilmiah.

DAFTAR PUSTAKA

Daryanto. Pengetahuan Praktis Televisi. Jakarta: Bumi Aksara. 2006

Debyana S., Menentukan Medan Magnet Bumi Dengan Menggunakan Kumparan Helmholtz Dan Solenoida. Skripsi: UKRIM. 2008

Hidayat S., Lilik. Kamus Fisika Bergambar. Bandung: Pakar Raya. 2004 Santosa, Ign, Edi. Petunjuk Praktikum Fisika Modern. Yogyakarta: USD. 2003

LAPORAN PRAKTIKUM FISIKA MODERN. JUDUL PRAKTIKUM PENENTUAN MUATAN SPESIFIK (e/m) ELEKTRON