PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES MINYAK. Intan Masruroh S, Anita Susanti, Reza Ruzuki, dan Zaky Alam

(1)

Masruroh S Intan |airlangga university Page 1

PENGUKURAN DIAMETER DAN MUATAN LISTRIK SEBUAH TETES

MINYAK

Intan Masruroh S, Anita Susanti, Reza Ruzuki, dan Zaky Alam

Laboratorium Fisika Radiasi, Departement Fisika, Fakultas Sains dan Terknologi, Universitas Airlangga

Jalan Mulyorejo, Surabaya email : [email protected]

Abstrak

Pada pengamatan kali ini kami melakukan pengamatan terhadap percobaan tetes minyak milikan. Yaitu sebuah eksperimen yang bertujuan untuk membuktikan muatan listrik adalah 1,6 x 10-19 . Selain itu eksperimen ini bertujuan untuk menentukan jari-jari suatu tetes minyak, serta membuktikan bahwa muatan listrik terkusntisasi secara diskret. Dalam pengukuran ini digunakan sistem peralatan Milikan (leybold 55941) dengan metode dinamis dan metode kesetimbangan untuk menetukan kecepatan tetes minyak.. Sehingga di dapat nilai muatan listrik elektron menggunakan metode kesetimbangan (13.056 ± 0.002)10−19 A.s dan menggunakan metode dinamis di dapat (14.07 ± 9.36) 10−19 A∙s sedangkan nilai bedasarkan refferensi adalah e (1,6∙10−19 C).

Kata kunci : muatan elektron, tetes minyak milikan, kec.tetes minyak.

PENDAHULUAN

Elektron merupakan suatu dasar penyusun atom. Inti atom terdiri dari elektron(bermuatan negatif) dan proton(bermuatan positif). Pengukuran muatan elektron dilakukan oleh ilmuwan fisika Amerika Robert Milikan pada 1909 dan dipublikasikan pada tahun 1911. Pengukuran yang dilakukan R. Milikan mampu mendapatkan nilai muatan untuk 1-150 ion dengan batas kesalahan kurang dari 0.3%. metode pengukuran muatan listrik elektron oleh milikan adalah dengan membuat sebuah sistem/alat yang dibuat dengan medan listrik untu mencegah tetesan minyak jatuh karena gravitasi.

Pada ekseperimen yang dilakukan di lakukan di laboratorium radiasi tets minyak disemprotkan melalui bagian atas dua keping sejajar (berupa lubang kecil). Sehingga akan ada minyak yang masuk ke dalam celah antara dua plat. Kemudian tetesan minyak di dalam plat diamati. Tetesan minyak yang ada di dalam plat akan bergerak-bergerak di dalam celah maka harus di amati salah satu titik(tetes) acuan. Dan titik acuan itu di amati kecepatanya untuk menempuh jarak sejauh x skala dalam t sekon. Dalam pergerakannya di celah antar plat partikel tetes mengalami 3 gaya yang berbeda yaitu gaya viskos, gaya gravitasi, dan gaya listrik. Dari persamaan ketiga gerak ynag mempengaruhinya maka akan didapatkan suatu persamaan untuk menghitung muatan elektron.

(2)

Masruroh S Intan |airlangga university Page 2 METODE EKSPERIMEN

Waktu dan tempat eksperimen.

Eksperimen ini dilakukan di laboratorium radiasi lt.2 departemen fisika, fakultas sains dan teknologi, universitas airlangga. Pada hari kamis 3 oktober 2013, pukul 15.30 s/d 17.00 WIB.

Alat dan Bahan

1. Sistem peralatan Milikan (leybold 55941) 2. Power supply (leybold 55941)

3. Minyak pengisi 4. Pewaktu (stopwatch) 5. Kabel penghubung Prosedur Eksperimen

a. Pengambilan data bagian 1.

1. Menyemprotkan minyak atom ke dalam plat sejajar dengan cara memompakan minyak tersebut, sehingga masuk melalui celah kecil.

2. Mengatur teropong yang berada di samping milikan chamber (di depan pengamat) untuk megamati tetes minyak yang telah dsemprotkan hingga anda melihat dengan jelas.

3. Mengamati salah satu tetes minyak yang paling jelas. Kemudian menentukan kecepatan jatuh tetes tersebut. Dengan mengukur jarak tempuh dan waktu yang diperlukan. 1 skala pada lesa okuler di konversi ke meter 𝑠 = 𝑥

1,875∙ 10

−4_{𝑚, x}

adalah jumlah skala. Kecepatan terukur disini dinamakan kecepatan ν1 dan

dilakukan pengukuran serupa sebanyak 3 kali. b. Pengambilan data bagian 2.

1. Menyemprotkan minyak atom ke dalam plat sejajar Milikan.

2. Mengalirkan tegangan listrik pada dua keping plat sejajar sehingga dihasilkan medan listrik yang menahan tetes minyak diam diantara dua plat namakan tengangan ini sebagai U1 .

c. Pengambilan data bagian ke 3.

(3)

2. Memperbesar teganagn listrik sehingga tetes minyak bergerak berlawan arah gravitasi, tegangan ini sebagai U2.

3. Menentukan kecepatan tetes minyak akibat gaya listrik U2 sebagai ν2 dan

dilakukan pengukuran sebanyak 3 kali. HASIL EKSPERIMEN

Tabel 1 Hasil Pengukuran Dengan Metode Kesetimbangan Pengukuran Ke x Delta t1 𝑼𝟏 1 10 20.1 230 2 10 3.9 310 3 10 3.7 260 Keterangan: x = jumlah skala t = waktu (s)

Tabel 2 Hasil Pengukuran dengan Metode Dinamis Pengukuran Ke x Delta t2 𝑼_𝟐 1 10 2.5 600 2 10 0.3 600 3 10 1.4 560 Keterangan: x = jumlah skala t = waktu (s)

ANILISIS DAN PEMBAHASAN Perhitungan

1. Menghitung jari-jari tetes minyak

dengan menggunakan ketiga persamaan gaya gravitasi, gaya stokes, dan gaya archimedes maka diperoleh resultan gaya tetes minyak sebagai

𝑟 =

9𝜂𝜈1 2𝜌𝑔

Keterangan:

𝜂 = Koefisien Viskositas Minyak (1,81∙10−5 N/m2)

𝜌𝑜𝑖𝑙 = Massa Jenis Minyak (875,3 kg/m3)

𝜌𝑙 = Massa Jenis udara (1.29 kg/m3)

𝜌 = 𝜌𝑜𝑖𝑙 − 𝜌𝑙 = 874,01

𝑔 = Percepatan Gravitasi (9,8 in/s2) 𝑣1= Kecepatan Tetes Minyak (m/s)

𝑟 = Jari – Jari Tetes Minyak (m)

sehingga di dapat nilai jari-jari tetes minyak adalah (1.154 ± 0.004) 10-6 m.

(4)

Dengan mengunakan rumus 𝑠 = 𝑥

1.875 ∙ 𝑡∙ 10

−4_{𝑚 maka didapatkan nilai Jadi.}

kecepatan tetes minyak 𝑣1 = (1.403 ± 0.870) 10−4 m/s.

3. Menentukan nilai muatan listrik menggunakan metode kesetimbangan. Pengukuran muatan listrik dilakukan dengan dimana nilai U1 adalah 245 volt.

𝑞 =

6𝜋𝑑𝜂𝜈

1

𝑈

₁

9𝜂𝜈

₁

2𝜌𝑔

Sehingga di dapat nilai q = (13.056 ± 0.002)10

−19

_A.s

Perhitungan metode dinamis.

1. Mengukur kecepatan tetes minyak (

𝜈

₂) dengan mengunakan rumus 𝑠 = 𝑥

1.875 ∙ 𝑡∙ 10

−4_{𝑚 maka di dapatkan nilai untuk}

(

𝜈

₂)= (2.17 ± 0.04) 10−4 m/s

2. Mengukur nilai muatan listrik elektron untuk metode dinamis.

Ketika tetes minyak tadi berada dalam posisi diam, kemudian di beri tegangan sebesar 600volt sehingga elektro bergerak lagi. Kecepatan ini di hitung menggunakan rumus 𝑞 =(𝑣1+𝑣2)

𝑈2 𝑣1𝜂

3/2 18𝜋𝑑

2𝜌𝑔𝐴. 𝑠 Jadi, nilai muatan listrik

elektron = (14.07 ± 9.36) 10−19 A∙s

Pembahasan

Eksperimen tetes minyak milikan adalah salah satu eksperimen yang cukup akurat dalam menentukan muatan listrik elektron. Eksperimen ini digunakan untuk menunjukan bahwa muatan bersifat diskret. Sistem yang terdiri dari dua plat keping sejajar, minyak semprot, mikroskop, skala. Pengamatan dilakukan di ruang yang tertutup untuk memudahkan melihat buih tetes minyak karena ukuran nya yang sangat kecil maka pengamatan dilakuakan dengan menggunakan mikroskop. Sehingga berkas akan terlihat jelas. Setelah di dapat gambar berkas yang jelas, di pilih salah satu berkas yang ukuranya cukup besar, supaya mudah diamati. Pada tetes yang dipilih akan bergerak menuju gravtasi (ke atas )pada pengamatan yang menggunakan lensa cembung. Ketika tetes sampai batas skala ukur pengamat menaikan inputan listrik supaya gelembung tetes berhenti.nilai yang tertera sebagai U1. untuk mebuat tetes(gelembung) berjalan turun(pengamat) maka di beri tengangan yang lebih besar lagi, sehingga tetes dapat turun dan di dapat nilai t dan skala nya. Dengan menghitung jarak skala dan waktu yang ditempuh maka kita akan dapatkan nilai v. Setelah didapat nilai v maka kita jari-jari akan dapat dihitung. Kemudian di dapat nilai q.

(5)

Dari pengamatan di dapat nilai Muatan elektron merupakan diskret (terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar 𝑒 (1.6 ∙ 10−19𝐶) yang di dapatkan dalam eksperimen 𝑞2= 14.07 ∙ 10−19 dan 𝑞1=13.056 ∙ 10−19 merupakan mendekati kelipatan

9 dan 8 dari 1.6 ∙ 10−19_{𝐶 . hal ini di mungkinkan bahwa tetes yang minyak yang}

digunakan merupakan minyak yang terdiri dari atom-atom penyusun lain.

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan

1. Jari – jari tetes minyak adalah sebesar (1.154 ± 0.004) 10−6 m.

2. Besarnya muatan listrik yang diperoleh dari metode kesetimbangan adalah sebesar (13.056 ± 0.002)10−19 A.s.

3. Besarnya muatan listrik yang diperoleh dari metode dinamis adalah sebesar (14.07 ± 9.36) 10−19 A∙s.

4. Muatan listrik bersifat diskret, yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar e (1,6∙10−19

C). Daftar pustaka

1. http://id.wikipedia.org/wiki/Elektron

2. Dosen Fisika Radiasi. 2011. Buku Petunjuk Fisika Eksperimental. Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya

3. Nugroho, Ardhy P. 2012. Laporan Praktikum Tetes Minyak Milikan. Laboratorium Fisika Radiasi, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Airlangga, Surabaya

(6)

LAMPIRAN

ANALISIS PERHITUNGAN

PERCOBAAN MILIKAN

Data Pengamatan Delta t1 Delta t2 U1 U2 20.1 2.5 230 600 3.9 0.3 310 600 3.7 1.4 260 560

Karena statistik yang di dapat memiliki range yang cukup jauh dan akan menghasilkan data yang jelek jika di rata-rata. Maka di rata-rata menggunakan nilai yang saling mendekati.

Dengan menggunakan skala 10

1. Menentukan Kecepatan Tetes Minyak Tabel 1 Analisis Data Metode Kesetimbangan

Pengukuran Ke x t x2 t2 1 10 20.1 100 404.01 2 10 3.9 100 15.21 3 10 3.7 100 14.44 Jumlah 30 - 300 29.65 Rata – Rata 10 3.8 100 14.825 Keterangan: x = jumlah skala t = waktu (s) 𝑥 = 10 ∆𝑥 = 𝑥2_{− 𝑥}2 ∆𝑥 = 100 − 100 ∆𝑥 = 0

(7)

∆𝑥 = 0

Jadi, jumlah skala = (10 ± 0)

𝑡 = 3.8 𝑠 ∆𝑡 = 𝑡2_{− 𝑡}2 ∆𝑡 = 14.825 − 14.44 ∆𝑡 = 0.385 ∆𝑡 = 0.62 𝑠 Jadi. waktu = (3.8 ± 0.62) s

Kecepatan tetes minyak 𝑣1 adalah

𝑣1= 𝑠 𝑡 Dengan 𝑠 = 𝑥 1.875 ∙ 3.8∙ 10 −4_𝑚 Maka. 𝑣1= 𝑥 1.875∙3.8 ∙ 10 −4 𝑣1= 10 1.875∙3.8 ∙ 10 −4 𝑣1= 1.403 ∙ 10−4 𝑚/𝑠 ∆𝑣1 = 𝜕𝑣₁ 𝜕𝑥 ∆𝑥 + 𝜕𝑣₁ 𝜕𝑡 ∆𝑡 ∆𝑣1 = 1 1.875 ∙ 3.8 ∙ 10 −4_{∆𝑥 + −} 𝑥 1.875 ∙ 3.8 ∙ 10 −4_∆𝑡 ∆𝑣1 = 1 1.875 ∙3.8 ∙ 10 −4_{0 + −} 10 1.875 ∙3.8 ∙ 10 −4_0.62 ∆𝑣1 = 1.403 ∙ 10−4 0 + −1.403 ∙ 10−4 0.62 ∆𝑣1 = 0 + 0.870 . 10−4 ∆𝑣1 = 0.870 ∙ 10−4 𝑚/𝑠

(8)

Jadi. kecepatan tetes minyak = (1.403 ± 0.870) 10−4 m/s

2. Menentukan Jari – Jari Tetes Minyak 𝑟 = 9𝜂𝑣1 2𝜌𝑔 𝑟 = 9 1.81∙10−5 1.403 .10−4 2 874 .01 9.8 𝑟 = 22.85478 ∙10−9 17130 .596 𝑟 = 1.334 ∙ 10−12 𝑟 = 1.334 ∙ 10−12 𝑟 = 1.154 ∙ 10−6 𝑚 Δ𝑟 = 𝜕𝑟 𝜕𝑣1 Δ𝑣1 ∆𝑟 = 1 2 9𝜂𝑣 2𝜌𝑔 −1 2 9𝜂 2𝜌𝑔 ∆𝑣1 Δ𝑟 = 3 2 𝜂 2𝜌𝑔 Δ𝑣1 Δ𝑟 = 3 2 1.81∙10−5 2 874 .01 9.8 0.870 ∙ 10 −4 Δ𝑟 = 3 2. 3.250 ∗ 10 −5_{∗ 0.870 ∗ 10}−4 Δ𝑟 = 4.241 ∗ 10−9𝑚 Δ𝑟 = 0.004 ∗ 10−6𝑚

Jadi. jari – jari tetes minyak = (1.154 ± 0.004) 10−6 m

(9)

Masruroh S Intan |airlangga university Page 9 a. 𝑞 =6𝜋𝑑𝜂 𝜈1 𝑈1 9𝜂 𝜈1 2𝜌𝑔 𝑞 = 6∙3.14∙ 6∙10−3 ∙ 1.81∙10−5 ∙ 1.403∙10−4 245 1.81∙10−5_{∙9∙ 1.403∙10}−4 2∙874 .01∙9.8 𝑞 = 1.171 ∙ 10−12_{∙ 1.115 ∙ 10}−6 𝑞 = 1.3056 ∙ 10−18𝐴 ∙ 𝑠 𝑞 = 13.056 ∙ 10−19_{𝐴 ∙ 𝑠} ∆𝑞 = 𝜕𝑞 𝜕𝑣1 ∆𝑣1 + 𝜕𝑞 𝜕𝑈1 ∆𝑈1 ∆𝑞 = 6𝜋𝑑𝜂𝜈1 𝑈1 9𝜂𝜈1 2𝜌𝑔 ∆𝑣1 + − 6𝜋𝑑𝜂𝜈1 𝑈1 9𝜂𝜈1 2𝜌𝑔 ∆𝑈1 ∆𝑞 = 0 ∙ 10−4 + 6𝜋𝑑𝜂𝜈1 𝑈₁2 9𝜂𝜈1 2𝜌𝑔 Δ𝑈1 = 0 + 5.520 ∙ 10−21 0.5 ∆𝑞 = 0 + 2.760 . 10−21 ∆𝑞 = 0.002 ∙ 10−19𝐴 ∙ 𝑠

Jadi, nilai muatan listrik pada elektron adalah = (13.056 ± 0.002)10−19 A.s

Muatan elektron merupakan diskret (terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar 𝑒 (1,6 ∙ 10−19_{𝐶) yang dirumuskan sebagai berikut:}

𝑞 = 𝑛𝑒 𝑛 =𝑞_𝑒 𝑛 =13.056 ∙ 10 −19 1,6 ∙ 10−19 𝑛 = 8.44125 𝑛 ≅ 8 (𝑏𝑖𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑏𝑢𝑙𝑎𝑡)

(10)

Masruroh S Intan |airlangga university Page 10 Metode Dinamiseliling.

Tabel 2 Analisis Data Metode Dinamis U2 = 600 Volt Pengukuran Ke X t x2 t2 1 10 2.5 100 6.25 2 10 0.3 100 0.09 3 10 2.4 100 5.76 Jumlah 30 5.2 300 12.1 Rata – Rata 10 2.45 100 6.005 Keterangan: x = jumlah skala t = waktu (s) 𝑥 = 10 ∆𝑥 = 𝑥2_{− 𝑥}2 ∆𝑥 = 100 − 100 ∆𝑥 = 0 ∆𝑥 = 0

Jadi. jumlah skala = (10 ± 0)

𝑡 = 2.45 𝑠 ∆𝑡 = 𝑡2_{− 𝑡}2

∆𝑡 = 6.005 − 6.0025 ∆𝑡 = 0.0025

(11)

Jadi, waktu = (2.45 ± 0.05) s

Kecepatan tetes minyak 𝑣2 adalah

𝑣2= 𝑠 𝑡 Dengan 𝑠 = 𝑥 1.875 . 10 −4_𝑚 Maka, 𝑣2=_1.875∙2.45 𝑥 . 10−4 𝑣2= 10 1.875∙2.45 . 10 −4 𝑣2= 2.17 ∙ 10−4 𝑚/𝑠 ∆𝑣2= 𝜕𝑣2 𝜕𝑥 ∆𝑥 + 𝜕𝑣2 𝜕𝑡 ∆𝑡 ∆𝑣2= 1 1.875 ∙ 2.45 . 10 −4_{∆𝑥 + −} 𝑥 1.875 ∙ 𝑡 2 . 10−4 ∆𝑡 ∆𝑣2= 1 1.875 ∙ 2.45 . 10 −4_{0 + −} 10 1.875 ∙ 6.0025 . 10 −4_0.05 ∆𝑣2= 0 + 0.044 ∙ 10−4 ∆𝑣2= 0.044 ∙ 10−4 𝑚/𝑠

Jadi, kecepatan tetes minyak (v2)= (2.17 ± 0.04) 10−4 m/s

Nilai muatan listrik elektron 𝑞 =(𝑣1+𝑣2) 𝑈2 𝑣1𝜂 3/2 18𝜋𝑑 2𝜌𝑔𝐴. 𝑠 𝑞 = 1.403 +2.17 ∙10−4 600 1.403 ∙ 10 −4_{1.81 ∙ 10}−5 3₂18∙3.14∙6∙10−3 2∙874 .01∙9.8 𝐴. 𝑠 𝑞 = 1.403 +2.17 ∙10−4 600 1.403 ∙ 10 −4_{1.81 ∙ 10}−5 3₂18∙3.14∙6∙10−3 2∙874 .01∙9.8 𝐴. 𝑠

(12)

Masruroh S Intan |airlangga university Page 12 𝑞 = 5048649 122623603 ∙ 1810 3 2 3059035000000000000000000000000000 𝐴. 𝑠 𝑞 = 1.407 ∙ 10−18_{𝐴. 𝑠} 𝑞 = 14.07 ∙ 10−19_{𝐴. 𝑠} ∆𝑞 = _𝜕𝑣𝜕𝑞 1 ∆𝑣1 + 𝜕𝑞 𝜕 𝑣₂ ∆𝑣2 + 𝜕𝑞 𝜕𝑈₂ ∆𝑈2 ∆𝑞 = 9𝜋𝑑 𝑣2𝜂 3 2 𝑣1𝑢2 2𝜌𝑔+ 27𝜋 𝑣1𝑑𝜂 3 2 𝑢2 2𝜌𝑔 ∆𝑣1 + 18𝜋 𝑣1𝑑 𝜂 3 2 𝑢2 2𝜌𝑔 ∆𝑣2 + | − 18𝜋 𝑣1𝑑 𝑣1 + 𝑣2 𝜂 3 2 2𝜌𝑔 𝑢22 ||∆𝑈| ∆𝑞 = 8.95421 ∙ 10−15_{0.870 ∙ 10}−4_{+ 3.9387 ∙ 10}−15_{0.04 ∙ 10}−4_{+ |3.9092 ∙ 10}−24_||0.5| ∆𝑞 = 7.7901 ∙ 10−19_{+ 1.5755 ∙ 10}−19_{+ 1.9546 ∙ 10}−24 ∆𝑞 = 9.3656 ∙ 10−19𝐴 ∙ 𝑠

Jadi, nilai muatan listrik elektron = (14.07 ± 9.36) 10−19 A∙s

Muatan elektron merupakan diskret (terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar 𝑒 (1.6 ∙ 10−19_{𝐶) yang dirumuskan sebagai berikut:}

𝑞 = 𝑛𝑒 𝑛 =𝑞_𝑒 𝑛 =14.07∙10−19 1.6∙10−19 𝑛 = 8.79375 𝑛 ≅ 9 (𝑏𝑖𝑙𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑏𝑢𝑙𝑎𝑡)

(13)