Percobaan tetes minyak milikan dilakukan oleh Robert A Milikan (1868 – 1953). Dalam percobaannya ia berhasil menemukan harga muatan electron secara akurat dan menunjukkan bahwa muatan electron bersifat diskrit. Elektron mempunyai peran penting dalam mempelajari gejala kelistrikan dan
kemagnetan. Dalam eksperimen ini, kita menyemprotkan minyak dalam bentuk hujan tetes-tetes minyak dari atomizer. Setelah diamati hujan tetes-tetes minyak tersebut tampak seperti bintang kecil-kecil yang jatuh perlahan-lahan yang dipengaruhi gaya gravitasi dengan kecepatan yang bergantung pada massanya, viskositas udara dan gaya stokes.
Selanjutnya tetesan minyak di beri muatan dengan beda potensial yang cukup tinggi berkisar 300 volt – 450 volt. Besar muatan tetes minyak akan
mempengaruhi gerakan atau kecepatannya. Hal ini dapat diamati jika tetes minyak bergerak turun berbeda kecepatannya jika bergerak ke atas, begitupun saat bergerak bebas tanpa muatan. Sehingga ada tiga kecepatan yang dialami oleh butir tetes minyak berdasarkan arah geraknya, ini bergantung oleh gaya yang mempengaruhinya. Besar kecepatan bintik minyak dapat dihitung dengan menggunakan persamaan gerak lurus beraturan.
y = v.t ( 1 )
dengan waktu tempuh dan jarak tempuh diketahui dari hasil percobaan. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang di atas, maka dirumuskan masalah percobaan sebagai berikut: “Bagaimana pengaruh kecepatan turun dan kecepatan naik terhadap harga muatan tetes minyak?”
Tujuan percobaan
Percobaan ini bertujuan untuk menentukan muatan satuan elektron (e) dan menunjukkan sifat diskrit muatan electrón
BAB II
KAJIAN TEORI
Dalam percobaan tetes minyak Millikan, gerakan kecepatan bintik minyak dapat dibuat dalam tiga keadaan, yaitu gerak ke bawah karena pengaruh gaya berat, gerak searah gaya berat dengan pengaruh gaya berat dan medan listrik, serta gerak berlawan arah gaya berat dengan pengaruh medan listrik dan gaya berat. Keadaan pertama adalah gerak bintik minyak karena pengaruh gaya gravitasi. Pada kondisi ini bintik minyak bergerak dengan kecepatan konstan. Walaupun dalam kondisi yang sering kita jumpai di lingkungan kita bahwa benda yang bergerak ke bawah karena pengaruh gravitasi akan bergerak berubah beraturan. Hal ini disebabkan gaya gesekan udara sangat kecil dibandingkan dengan gaya tarik bumi, sehingga gaya gesekannya dapat diabaikan. Lain halnya pada
percobaan tetes minyak Milikan, gaya gesekan fluida dalam hai ini udara dengan bintik minyak sangat mempengaruhi laju bintik minyak tersebut. Hal ini
disebabkan oleh sifat kekentalan (viskositas) fluida tersebut dalam hal ini adalah udara. Viskositas pada fluida pada dasarnya merupakan gaya gesekan antara
lapisan-lapisan yang bersisian pada fluida saat lapisan-lapisan tersebut bergerak. Secara rinci gaya gesek dalam fluida dijelaskan dalam hukum Stokes. Sesuai hukum Stokes, besar gaya gesekan fluida dirumuskan dengan,
rvη π Ff = 6 ( 2 ) dimana:
= viskositas fluidaη r = radius bintik minyak v = kecepatan
Gerak ke bawah tanpa medan listrik
Setelah minyak disemprotkan dengan atomiser ke dalam ruang antar kedua plat kapasitor, maka tetesan minyak yang jatuh pada awalnya mengalami
percepatan. Karena adanya gaya gesek yang menghambat gerakan yaitu viskositas udara, maka pada saat tertentu akan mencapai laju konstan. Dalam waktu yang bersamaan atur posisi Ionisation Source Lever ke ON untuk
memberikan muatan pada bintik minyak saat melewati Droplet Hole Cover yaitu ruang antara kedua pelat kapasitor yang telah di beri muatan. Jika bintik minyak telah nampak dan sudah ada sudah bintik minyak yang termuati, maka
dipindahkan kembali Ionisation Source Lever diatur ke posisi OFF.
Setelah bintik minyak nampak dalam ruang antara kedua plat, maka untuk mengetahui apakah sudah bermuatan diputar posisi Plate Charging Switch ke arah positif. Jika bintik minyak bergerak ke atas ke arah plat positif, maka bintik minyak tersebut bermuatan negatif. Tetapi jika ada bintik minyak yang bergerak ke bawah ke plat negatif, maka bintik minyak itu bermuatan positif. Sebaliknya jika saklar Plate Changing Switch diputar ke arah negatif, maka plat bagian atas bermuatan negatif dan plat bagian bawah bermuatan posisif. Sehingga tetes minyak yang bergerak ke atas bermuatan positif, dan yang bergerak ke bawah bermuatan negatif.
Pada bagian ini akan dijelaskan gerak bintik minyak tanpa pengaruh medan listrik. Komponen gaya-gaya yang bekerja pada bintik minyak digambarkan seperti di bawah ini.
Keterangan:
Ff = gaya gesek antara tetesan minyak dengan udara FA = gaya angkat ke atas (Archimedes)
w = gaya berat tetesan minyak
Berdasarkan hukum gerak Newton, resultan gaya yang bekerja pada tetesan minyak saat itu sama dengan nol.
F = 0Σ ( 3 ) F_f + F_A- w=0
6πηrv + □(□(4/3)) πr^3 ρ_f g- □(□(4/3)) πr^3 ρ_m g=0 6πηrv= □(□(4/3)) πr^3 g(ρ_m-ρ_f )
Dari hubungan ini diturunkan persamaan untuk menghitung jari-jari bintik minyak sebagai berikut:
r^2=9/2 ηv/(ρ_m-ρ_f )g r =√(9/2 ηv/(ρ_m-ρ_f )g) (4)
Bintik minyak bergerak ke atas
Bintik minyak dapat bergerak ke atas karena pengaruh medan listrik. Hal ini dapat terjadi karena bintik minyak yang telah bermuatan akan mendapat gaya listrik berupa gaya tolak atau gaya tarik. Ini tergantung dari jenis muatannya. Jika dipilih muatan bergerak keatas dan plat bagian atas bermuatan positif, maka terjadi gaya tarik pada bintik minyak yang bermuatan negatif. Gaya ini akan melawan besar gaya berat dan gaya Stokes dalam fluida. Gaya-gaya yang bekerja pada bintik minyak digambarkan seperti berikut.
Keterangan:
FE = gaya listrik antara keping dengan tetes minyak bermuatan negatif FA = gaya angkat ke atas (Archimedes)
w = gaya berat tetesan minyak
Walaupun tetes minyak tidak diam, tetapi kecepatannya konstan. Sehingga resultan gaya yang bekerja pada tetesan minyak saat itu sama dengan nol.
Berdasarkan hukum gerak Newton: F = 0Σ
F_E + F_A 〖- F〗_f-w=0
Vq/d+ □(□(4/3)) πr^3 ρ_f g-6πηrv- □(□(4/3)) πr^3 ρ_m g=0
Sehingga diperoleh persamaan untuk menentukan besar muatan tetes minyak yang bergerak ke atas adalah:
q=6πηrvd/V+(4πr^3 gd)/3V (ρ_m-ρ_f ) ( 5 )
Bintik minyak bergerak ke bawah dengan medan listrik
Gerakan bintik minyak ke bawah dengan pengaruh medan listrik kecepatan lebih besar, karena disamping gaya listrik juga bekerja gaya berat yang arahnya
sama. Gaya yang melawan kedua gaya tersebut adalah gaya Stokes dan gaya angkat Archimedes. Gaya-gaya tersebut diuraikan seperti gambar berikut.
Keterangan:
FE = gaya listrik antara keping dengan tetes minyak bermuatan negatif FA = gaya angkat ke atas (Archimedes)
w = gaya berat tetesan minyak
Seperti pada keadaan kedua di atas, kecepatan tetes minyak juga konstan. Sehingga resultan gaya yang bekerja pada tetesan minyak saat itu sama dengan nol. Berdasarkan hukum gerak Newton:
F = 0Σ
F_E+w- F_A 〖- F〗_f=0
Vq/d+□(□(4/3)) πr^3 ρ_m g- □(□(4/3)) πr^3 ρ_f g-6πηrv=0
Sehingga diperoleh persamaan untuk menentukan besar muatan tetes minyak yang bergerak ke bawah karena pengaruh medan listrik adalah:
q=6πηrvd/V+(4πr^3 gd)/3V (ρ_f-ρ_m ) ( 6 )
Untuk menghitung besar muatan bintik minyak berdasarkan persamaan (5) dan (6) dibutuhkan sebuah faktor koreksi (k). Karena hukum Stokes tidak berlaku jika kecepatan benda yang bergerak dalam suatu fluida seperti pada tetesan minyak
dalam udara lebih kecil dari 0,1 cm/s atau 10-3 m/s. Pada percobaan ini kecepatan bintik minyak rata-rata berada pada rentang 0,04 – 0,001 cm/s. Faktor koreksi tersebut dihitung dengan persamaan (7) di bawah ini.
k= 1/(1+b/pr) ( 7 ) dengan:
b = konstanta (8,20 x 10-3 Pa.m) p = Tekanan barometric (mHg) r = jari-jari bintik minyak
BAB III
METODE EKSPERIMEN Alat dan bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan adalah: Satu set Millikan oil drop apparatus
Transformator 12 volt DC untuk lampu halogen Power Supply
Minyak non-votatile (Squibb #5597 mineral oil, rapat massa 886 kgm-3) Atomizer
Stopwatch Multimeter Tissue Cara Kerja
Sebelum melakukan eksperimen, plat kapasitor dibersihkan yaitu menggosoknya dengan tissue.
Menghubungkan power supply ke aliran sumber tegangan dan diatur hingga mencapai 350 – 500 volt.
Menyalakan lampu halogen kemudian mengamati apakah skala sudah nampak jelas jika diamati melalui teleskop.
Menghubungkan multimeter ke thermistor connection untuk mengukur hambatan thermistor.
Menyemprotkan tetes minyak ke dalam Dropplet Viewing Chamber secara tegak lurus.
Mengamati kehadiran bintikk minyak dan memberikan ionisasi dengan menggerakkan Ionisation Source lever ke posisi ON.
Diperkirakan telah terjadi ionisasi maka Ionisation Source lever di kembalikan ke posisi OFF.
Memilih satu bintik minyak pada teleskop, sambil menggerakkan Plate Charging Switch ke posisi muatan positif (+), Negatif (-), dan tanpa muatan.
Mengukur waktu yang digunakan bintik minyak dalam menempuh jarak tertentu, misalnya 5 skala (0,5 mm) dalam 3 keadaan yaitu bergerak keatas, bergerak ke bawah, dan bergerak ke bawah tanpa medan.
Diusahakan mengambil data lebih dari satu kali dalam 3 keadaan tersebut dengan bintik minyak yang sama.
Mengulangi kembali kegiatan 9 dengan memilih bintik minyak yang lain sampai 7 bintik minyak yang berbeda.
Identifikasi Variabel
Variabel kontrol : tekanan, hambatan, beda potensial Variabel manipulasi : waktu
Variabel respon : muatan bintik minyak
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Percobaan
V = 375 volt P = 767 mmHg
R = 1,765 x 106 ohm Tabel Pengamatan
Jarak Tempuh dalam Medan Listrik = 0,5 mm = 5 x 10-4 m Jarak Tempuh tanpa Medan Listrik = 0,5 mm = 5 x 10-4 m Tetesan Minyak Waktu Tempuh Tetesan Minyak (s)
Dalam Medan Listrik Tanpa Medan Listrik Ke Atas Ke Bawah Jatuh Bebas
I 7,4 5,4 25,1 10,9 5,1 21,1 13,5 5,7 25,4 II 19,2 5,5 22,6 20,2 5,7 23,7 18,3 6,4 20,5 III 8,4 5,5 26,4 10,2 4,3 26,1 8,5 5,5 IV 8,2 5,1 28,3 8,4 5,4 30,1 7,8 5,1 29,5 8,8 5,1 29,6 V 12,1 7,1 29,2
10,5 7,6 28,3 8,2 6,2 26,4 VI 17,3 8,2 22,6 11,5 7,8 22,7 VII 11,5 5,9 20,7 11,2 5,1 21,3 Analisa Data
Menentukan suhu tetes minyak berdasarkan besar hambatan yang terbaca pada thermistor.
Hasil pengukuran thermistor diperoleh hambatan sebesar 1,765 MΩ. Berdasarkan tabel Thermistor Resistance Table nilai tersebut berada pada rentang 300 – 310 yaitu:
300 = 1,774 x 106 Ω dan 310 = 1,736 x 106 Ω, sehingga harus digunakan interpolasi untuk mencari suhunya jika hambatan sebesar 1,765 x 106 Ω. T=31- (1,765-1,736)/(1,774-1,765) x 1^0
T=31-(0,76) x 1^0
T=30,24 atau T=273,16+30,2 0C = 303,36 K
Penentuan Viscositas Udara berdasarkan suhu pada saat percobaan.
Berdasarkan hasil interpolasi diperoleh suhu pada percobaan adalah 30,2 0C. Dari grafik hubungan Viscositas of Dry Air terhadap temperatur diperoleh: Suhu 300C = 1,8720 x 10-5 Nsm-2 dan
Suhu 310C = 1,8760 x 10-5 Nsm-2
Sehingga dilakukan interpolasi untuk menentukan viscositas udara pada suhu 30,20C.
η=(1,8720+(30,2-31)/(31-30) x0,004)x〖10〗^(-5) 〖Nsm〗^(-2) η=(1,8720+0,2 x0,004)x〖10〗^(-5) 〖Nsm〗^(-2)
η=(1,8720+0,0008)x〖10〗^(-5) 〖Nsm〗^(-2) 〖η=1,8728 x 10^(-5) Nsm〗^(-2)
Penentuan massa jenis udara berdasarkan Appendix Density of Air ρ=ρ_0 (P.273,16)/(760.T)
ρ=1,2929767.273,16/760.303,36 = 1,1749 kgm-3ρ
Dengan menggunakan persamaan di bawah melalui analisis Microsoft Excel, diperoleh waktu tempuh rata-rata dan kecepatan untuk setiap bintik minyak seperti pada table berikut.
trata = (t_1+t_2+t_3+ … +t_n)/n v= y/t ̅ , dengan y = 5 x 10-4 m
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas I 7,4 5,4 25,1
10,9 5,1 21,1 13,5 5,7 25,4
v(m/s) 4,72 x 10-5 9,26 x 10-5 2,09 x 10-5
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas II 19,2 5,5 22,6
20,2 5,7 23,7 18,3 6,4 20,5
trata(s) 19,23 5,87 22,27
v(m/s) 2,6E-05 8,52E-05 2,25E-05
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas III 8,4 5,5 26,4
10,2 4,3 26,1 8,5 5,5
trata(s) 9,03 5,10 26,25
v(m/s) 5,54E-05 9,8E-05 1,9E-05
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas IV 8,2 5,1 28,3
8,4 5,4 30,1 7,8 5,1 29,5 8,8 5,1 29,6
trata(s) 8,30 5,18 29,38
v(m/s) 6,02E-05 9,66E-05 1,7E-05
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas V 12,1 7,1 29,2
10,5 7,6 28,3 8,2 6,2 26,4
trata(s) 10,27 6,97 27,97
v(m/s) 4,87E-05 7,18E-05 1,79E-05
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas VI 17,3 8,2 22,6
11,5 7,8 22,7
trata(s) 14,40 8,00 22,65
v(m/s) 3,47E-05 6,25E-05 2,21E-05
Tetesan Minyak tKe Atas tKe Bawah tJatuh Bebas VII 11,5 5,9 20,7
11,2 5,1 21,3
trata(s) 11,35 5,50 21,00
v(m/s) 4,41E-05 9,09E-05 2,38E-05 Menghitung jari-jari bintik minyak.
dengan kondisi bintik minyak bergerak tanpa medan listrik. Hasil perhitungan dengan computer diperlihatkan seperti table di bawah.
r =√(9/2 ηv/(ρ_m-ρ_f )g) = 1,8728 x 10^(-5)η Nsm^(-2) m =ρ 886 kgm-3 f = 1,1749 kgm-3ρ g = 9,8 ms-2 Tetesan Minyak vt(m/s) r(m) I 2,09E-05 4,51E-07 II 2,25E-05 4,67E-07 III 1,9E-05 4,3E-07 IV 1,7E-05 4,07E-07 V 1,79E-05 4,17E-07 VI 2,21E-05 4,63E-07 VII 2,38E-05 4,81E-07 Menghitung faktor koreksi
Pada percobaan ini kecepatan bintik minyak yang diperoleh seperti pada perhitungan di atas berada pada orde 10-5 m/s. Sehingga untuk menghitung muatan bintik harus dikalikan dengan faktor koreksi sesuai dengan hasil perhitungan pada tabel di bawah ini.
k= 1/(1+b/pr)
b = konstanta (8,20 x 10-3 Pa.m)
p = Tekanan barometric (1,01 x 105 Pa) r = jari-jari bintik minyak
Tetesan Minyak r(m) K I 4,51E-07 0,78 II 4,67E-07 0,79 III 4,3E-07 0,77 IV 4,07E-07 0,76 V 4,17E-07 0,77 VI 4,63E-07 0,78 VII 4,81E-07 0,79
Menghitung muatan bintik minyak
Untuk menghitung besar muatan setiap bintik digunakan persamaan (5) dan (6), tetapi harus dikalikan dengan sebuah faktor koreksi pada persamaan (7),
sehingga persamaannya seperti di bawah ini. Bintik minyak bergerak ke atas:
q=k(6πηrvd/V+(4πr^3 gd)/3V (ρ_m-ρ_f ) ) Bintik minyak bergerak ke bawah:
q=k(6πηrvd/V+(4πr^3 gd)/3V (ρ_f-ρ_m ) )
dianalisis melalui computer yaitu Microsoft Excel, maka hasil yang diperoleh seperti pada tabel berikut:
Tetesan Minyak qke atas(C) qke bawah(C) qrata-rata(C) I 1,73E-19 1,82E-19 1,78E-19
II 1,28E-19 1,66E-19 1,47E-19 III 1,78E-19 1,89E-19 1,84E-19 IV 1,73E-19 1,78E-19 1,75E-19 V 1,53E-19 1,24E-19 1,39E-19 VI 1,49E-19 1,06E-19 1,28E-19 VII 1,86E-19 1,84E-19 1,85E-19
Pembahasan
Prinsip yang digunakan pada percobaan milikan adalah pengaruh gaya gravitasi dan gaya listrik pada partikel bermuatan (tetesan minyak). Tetesan minyak yang dihamburkan dalam ruang pengamatan dipengarahi oleh medan listrik. Medan listrik tersebut ditimbulkan dari beda potensial antara elektroda positif (atas) dan elektroda negatif (bawah) yang diberikan pada pelat kondensator. Pada saat gaya gravitasi sama dengan gaya listrik maka tetesan minyak tersebut akan mengambang. Tetesan minyak dalam medan listrik dipengaruhi oleh beberapa gaya yaitu gaya berat, gaya Stokes yang merupakan gaya penghambat, gaya dorong dan gaya elektrostatis.
Percobaan ini menggunakan dua metode yaitu metode statis (keseimbangan) dan metode dinamis. Untuk metode keseimbangan, karena tetesan minyak tersebut merupakan partikel bermuatan, sehingga setelah tegangannya dihilangkan maka tetesan minyak tersebut akan turun atau jatuh pada saat tetesan minyak tersebut jatuh, laju tetesan minyak tersebut nol. Dengan demikian gaya yang bekerja pada tetesan minyak tersebut hanya gaya berat atau gaya gravitasi dan gaya dorong yang arahnya berlawanan dengan gaya berat. Kemudian tetesan minyak akan mengalami resultan gaya ke bawah. Oleh karena itu, tetesan minyak akan mengalami percepatan sehingga kecepatannya bertambah. Seiring dengan bertambahnya kecepatan, gaya Stokes akan
membesar dan pada suatu ketika akan terjadi keseimbangan antara ketiga gaya tersebut, resultan ketiga gaya tersebut nol. Oleh karena itu kecepatan tetesan minyak tersebut akan konstan. Dari sini tegangan dan kecepatan tetesan minyak tersebut dapat diketahui, berdasarkan pengamatan nilai beda potensial dan lamanya waktu yang dibutuhkan tetesan minyak untuk menempuh jarak y yang
diperoleh bervariasi.
Berdasarkan perhitungan dapat diperoleh nilai muatan rata-rata dari setiap tetesan minyak adalah: (1) tetes minyak I = 1,78 x 10-19 C; (2) tetes minyak II = 1,47 x 10-19 C; (3) tetes minyak III = 1,84 x 10-19 C; (4) tetes minyak IV = 1,75 x 19 C; (5) tetes minyak V = 1,39 x 19 C; (6) tetes minyak VI = 1,28 x 10-19 C; dan (7) tetes minyak VII = 1,85 x 10-10-19 C. Nilai-nilai tersebut menyebar disekitar nilai muatan electron berdasarkan referensi yang ada, yaitu 1,6 x 10-19 C. Oleh karena itu, dapat disimpulkan bahwa satu elektronnya adalah 1,6.10-19 C, muatan sebesar ini merupakan muatan elementer.
