LAPORAN HASIL PENELITIAN
PENGEMBANGAN MODEL PEMBELAJARAN
DETEKSI RADIASI ELEKTROMAGNETIK
DI SEKITAR ELEKTRON
YANG MENGALAMI PERCEPATAN
PADA PERCOBAAN PENGUKURAN e/m ELEKTRON
Oleh :
Agus Purwanto
Sumarna
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA
BAB I
PENDAHULUAN
1. Latar Belakang Masalah
Penelitian intensif terhadap “sinar katoda”, nama yang diberikan sebelum
elektron ditemukan, pada paruh ke dua abad ke 19, terutama penelitian elegan oleh Crookes dan Lenard, telah membuka tabir ke arah pemahaman yang lebih mendalam terhadap sifat-sifat sinar katoda. Telah ditemukan bahwa sinar katoda bergerak dalam arah garis lurus normal terhadap katoda. Sinar katoda mempunyai energi yang bisa diubah menjadi panas. Sinar katoda dibelokkan oleh medan listrik dan medan magnet ke arah tertentu yang dengan jelas menunjukkan bahwa sinar tersebut bermuatan negatif. Hal yang lebih penting lagi bahwa sinar katoda tidak tergantung pada bahan yang digunakan untuk membuat elektroda dan juga tidak tergantung pada gas yang mengisi tabung sinar katoda.
Pada tahun 1897, dengan memperhatikan sifat-sifat di atas, J.J. Thomson mengusulkan hipotesa bahwa sinar katoda adalah partikel bermuatan negatif yang diproduksi pada katoda itu sendiri dan bergerak dengan kecepatan tinggi. Thomson merancang dan melakukan eksperimen sehingga perbandingan muatan terhadap massa partikel sinar katoda (e/m) dapat ditentukan. Pada prinsipnya, metoda Thomson tersusun atas pengukuran defleksi sinar katoda dalam medan listrik dengan syarat kecepatan partikel sinar katoda telah ditentukan lebih dahulu. Metoda Thomson ini mempunyai kelemahan karena kecilnya defleksi dan tidak uniformnya kecepatan partikel sinar katoda. Dunnington, pada tahun 1933, berhasil menyempurnakan metode Thomson dan memperoleh hasil pengukuran e/m dengan tingkat ketelitian 1 dalam 4500 (atau sekitar 0,02 %). Nilai terbaik yang sekarang diterima adalah 1,7588 x 1011 C/kg (Littlefield and Thorley, 1979).
dalam medan magnet. Partikel yang bergerak melingkar setidaknya mengalami percepatan anguler. Oleh karena itu, di sekitar berkas elektron dalam percobaan pengukuran e/m itu diharapkan terdeteksi adanya gelombang lektromagnetik. Setelah dapat dipastikan bahwa gelombang elektromagnetik tersebut berasal dari elektron yang dipercepat, maka kemudian dapat ditentukan frekuensinya.
2. Rumusan Masalah
a. Berapakah nilai perbandingan muatan/massa elektron (e/m) ? b. Berapakah ketidakpastian pengukuran nilai e/m tersebut ?
c. Adakah gelombang elektromagnetik di sekitar berkas elektron yang mengalami percepatan anguler ?
d. Jika terdeteksi adanya gelombang elektromagnetik di sekitar berkas elektron tersebut, berapakah frekuensinya ?
3. Tujuan
a. Menentukan nilai perbandingan muatan/massa elektron (e/m). b. Mempalajari ketidakpastian pengukuran nilai e/m tersebut.
c. Mendeteksi keberadaan gelombang elektromagnetik di sekitar berkas elektron yang mengalami percepatan anguler.
BAB II
KAJIAN TEORITIK
1. Pemberian Kecepatan pada Elektron
Elektron dapat berasal dari suatu logam (katode) yang dipanasi (themoelektron). Elektron dipercepat dalam medan listrik. Katode dipanasi dengan pemanas elektronik sehingga melepaskan thermoelektron. Kemudian antara katoda dan anoda dikenai beda tegangan tertentu di mana katoda lebih negatif dari pada anoda, sehingga thermoelektron bergerak dipercepat antara katoda dan anoda. Jika kecepatan thermoelektron ketika terlepas dari katoda (kecepatan karena proses pemanasan) diabaikan, dan jika beda tegangan sebesar V dikenakan antara katoda dan anoda, maka kelajuan v elektron ketika melewati anoda dapat dihitung dari hukum kekekalan energi sebagai berikut :
2
2 1
mv = eV
atau v =
m eV
2
(1)
di mana e = muatan elektron m = massa elektro.
2. Gerakan Elektron dalam Medan Magnet
evB = Helmholtz. Kumparan Helmholtz tersusun atas dua kumparan melingkar dengan jejari R (m) yang sama dan diatur sedemikian rupa sehingga mempunyai sumbu bersama (coaxial). Dua kumparan tersebut tentu saja sejajar satu sama lain dan dipisahkan dengan jarak pisah sebesar R (jejari kumparan). Jika arus I (A) mengalir dengan arah yang sama pada dua kumparan tersebut, dihasilkan medan magnet seragam (uniform), dengan arah sejajar dengan sumbu dua kumparan, di antara dua kumparan tersebut. Jika dua kumparan tersebut terpisah sejauh R (sama dengan radius kumparan) dan kemudian arus I mengalir dengan arah yang sama pada kedua kumparan, maka hukum Biot-Savart memberikan medan magnet B di antara dua kumparan sebagai berikut (Durney and Johnson, 1969) :
Substitusi persamaan (5) ke dalam persamaan (3) menghasilkan :
Persamaan (6) adalah persamaan yang siap dijadikan sebagai dasar operasional pengukuran e/m. Jika k = (7,793 x 10-4)2, maka dapat dituliskan : mengalir pada kumparan Helmholtz berbanding terbalik dengan jejari (r) lingkaran lintasan elektron. Karena yang akan diukur secara langsung dalam eksperimen adalah diameter (d = 2r) lingkaran lintasan, maka persamaan (7) dapat dituliskan :
I = persamaan garis lurus yang berbentuk :
y = bx (9)
Dengan y = I dan x = d-1, maka b = ek
V m8
yang merupakan kemiringan (slope) grafik yang menggambarkan I sebagai fungsi dari d-1 dengan I sebagai sumbu vertikal dan d-1 sebagai sumbu horisontal. Untuk arus I konstan, persamaan (6) atau (7) menunjukkan bahwa V berbanding lurus dengan r2 sebagai :
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
1. Obyek Percobaan
Objek percobaan ini adalah sinar katoda (berkas elektron) yang dipengaruhi oleh medan listrik maupun medan magnet. Berkas elektron merupakan partikel yang bermuatan listrik. Dengan demikian berkas tersebut dapat dipercepat oleh medan listrik maupun medan magnet. Sedangkan menurut teori elektrodinamika bahwa elektron (partikel bermuatan listrik) yang dipercepat dapat meradiasikan energi elektromagnetik. Keberadaan energi elektromagnetik di sekitar berkas elektron yang mengalami percepatan (anguler) inilah yang akan dideteksi melalui percobaan ini. Energi tersebut berupa gelombang elektromagnetik dengan frekuensi tertentu ataupun berupa medan elektromagnetik dengan orientasi dan intensitas tertentu.
2. Cara Pengumpulan Data
Data dalam percobaan ini diperoleh melalui eksperimen. Variabel-variabel yang diamati dalam eksterimen tersebut berupa tegangan (V) antara katoda dan anoda, kuat arus (I) dalam kumparan yang menimbulkan medan magnet (B), laju elektron (v), jejari berkas elektron (r), dan keberadaan gelombang elektromagnetik di sekitar berkas elektron yang dipercepat secara anguler. Setelah diperoleh kepastian keberadaannya, selanjutnya diselidiki lebih jauh tentang orientasi dan frekuensi gelombang elektromagnetik tersebut.
3. Instrumen untuk Mendapatkan Data
Instrumen yang digunakan untuk mendapatkan data dalam percobaan ini
memancarkan cahaya hijau terang saat terjadi deeksitasi. Hal ini untuk kemudahan dalam pengamatan lintasan gerak melingkar elektron. Skala untuk mengukur jejari lintasan berkas elektron telah tersedia di dalamnya. Kumparan Helmholtz berupa sepasang kumparan melingkar dengan jejari (R) sebesar 0,150 m dan jumlah lilitan (N) pada setiap kumparan sebanyak 130 lilitan. Kedua kumparan berada dalam posisi sejajar dengan jarak pisah 0,150 m. Catu daya digunakan untuk menyediakan tegangan pada pemanas filamen, tegangan pemercepat pada anoda, dan pemberian arus pada kumparan Helmholtz. Sedangkan untuk mendeteksi keberadaan energi elektromagnetik di sekitar berkas elektron digunakan sistem deteksi buatan sendiri (tambahan) yang terdiri dari sensor (antena) gelombang elektromagnetik semua frekuensi (all band), rangkaian penguat, dan indikator analog (VU meter). Gambar sistem deteksi tersebut adalah sebagai berikut :
4. Cara Analisis Data
Adanya ralat rambang dan kemungkinan juga ralat sistematis, grafik yang diperoleh berupa garis lurus yang mungkin tidak tepat melalui titik (0,0). Dengan demikian persamaan umum garis lurus tersebut adalah :
y = a + bx (11)
Jika memiliki n pasang data (xI, yI) dapat ditentukan nilai a dan b terbaik beserta
ketidakpastiannya dengan menggunakan metode kwadrat terkecil sebagai berikut : +Vcc
R4
C3
C2
C1
R3
R2
R1
VU meter Antena
all band
a =
Penjumlahan pada persamaan (12a), (12b) dan (13) adalah dari i =1 hingga i = n.
Ketidakpastian dar a dan b diberikan oleh :
a2 = Setelah diperoleh kemiringan (slope) dan ketidakpastian, maka e/m dapat ditentukan dengan cara sebagai berikut :
Slope =
2
Untuk beberapa percobaan akan diperoleh beberapa nilai e/m beserta ketidakpastiannya (e/m). Kemungkinan besar perolehan beberapa nilai tersebut tidak
sama besar, sehingga harus ditentukan nilai rerata dari e/m dengan menggunakan rerata berbobot sebagai berikut :
[e/m]rerata =
Sedangkan ketidakpastian dari rerata berbobot diberikan oleh :
2
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
1. Instrumen dan Data Penelitian
Alat yang digunakan dalam percobaan ini merupakan seperangkat peralatan
“ e/m Apparatus EM-2N ” yang terdiri atas : a. Tabung lucutan yang berisi gas Helium.
b. Unit Power Supply yang menyediakan tegangan pemanas (heater), tegangan pemercepat (V) pada anoda dan arus (I) yang mengalir pada kumparan Helmholtz.
c. Kumparan Helmholtz dengan spesifikasi N = 130 lilitan dan R = 0,150 m
Untuk mendeteksi keberadaan energi elektromagnetik di sekitar elektron yang dipercepat digunakan sistem deteksi (buatan sendiri) yang terdiri dari antena gelombang elektromagnetik all band, rangkaian penguat, dan indikator analog (VU meter). Gambar sistem deteksi tersebut adalah sebagai berikut :
+Vcc
R4
C3
C2
C1
R3
R2
R1
VU meter Antena
all band
Setelah melaksanakan percobaan diperoleh data sebagai berikut : Percobaan 1 :
No. Tegangan (Volt) I (Ampare) d (cm)
1. 97 0,74 11
2. 97 0,84 10
3. 97 0,95 9
4. 97 1,10 8
5. 97 1,25 7
6. 97 1,45 6
7. 97 1,72 5
Percobaan 2 :
No. Tegangan (Volt) I (Ampare) d (cm)
1. 120 0,85 11
2. 120 0,96 10
3. 120 1,05 9
4. 120 1,20 8
5. 120 1,37 7
6. 120 1,60 6
7. 120 1,90 5
2. Pembahasan Hasil
Jika data pada percobaan 1 di atas diplot ke dalam grafik yang menyatakan hubungan antara arus (I) dan kebalikan diameter lintasan (1/d), maka akan diperoleh gambar bebagai berikut :
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
1. Kesimpulan
1. Nilai perbandingan muatan/massa elektron e/m = 1,735 x 1011 C/kg. 2. Ketidakpastian pengukuran nilai e/m sebesar 0,85 x 1011 C/kg.
3. Terdeteksi adanya gelombang elektromagnetik di sekitar berkas elektron yang mengalami percepatan, tetapi intensitas, orientasi dan frekuensinya belum sempat ditentukan.
2. Saran
DAFTAR PUSTAKA
Anonim. 2000. E/M Apparatus EM-2N. Japan : Shimadzu Rika Instrumens Co. Ltd. Bevington, Philip R. (1969), Data Reduction ang Error Analysis for the Physical Sciences, McGraw Hill, New Yor.
Durney, Carl H. and Johnson, Curtis C. (1969), Introduction to Modern Electromagnetic, McGraw Hill, Tokyo.
Halliday dan Resnick. 1992. Fisika Jilid II (terjemahan Pantur Silaban dan Erwin Sucipto). Jakarta : Erlangga.
Littlefield, T.A. and Thorley, N. (1979), Atomic and Nuclear Physics, An Introduction, Van Nostrand Reinhold Co., New York.
Paradine, C.G. and Rivett, B.H.P. (1966), Statistical Methods for Tecnologists, The English Universities Press Ltd., London.
