Laporan Percobaan Millikan (Oil Drop Eksperiment)
I Putu Wesa Angga Jaya, 2108521010
Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana, Kampus Bukit Jimbaran, Badung, Bali, Indonesia 80361
Email: [email protected] 1. Pendahuluan
Elektron merupakan suatu partikel yang bermuatan negatif. Namun, hal yang paing penting yakni nilai muatan elektron tersebut diperoleh dari proses apakah dan ternyata prosen penentuan tersebut diperoleh dari percobaan tetes minyak milikan.
Dapat diketahui bahwa tetes minyak milikan merupakan sebuah percobaan yang menunjukkan bahwa muatan elektron memiliki sifat diskrit. Percobaan yang dilakukan Robert Milikan yaitu menyeimbangkan gaya-gaya antara gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes minyak yang ada diantara dua plan konduktor. Saat minyak jatuh diudara akan mengalami percepatan kebawah yang bersamaan gerakan tetes minyak dihambat oleh gaya penghambat.
2. Landasan Teori
Berdasarkan kondisinya, gaya-gaya yang bekerja pada saat minyak Milikan dijatuhkan pada tabung dibedakan menjadi dua, yaitu pada saat tetesan jatuh dan belum diberi medan listrik dan pada saat tetesan jatuh dan telah diberi medan listrik. Gaya yang bekerja pada tetesan minyak yang jatuh sebelum diberi medan listrik adalah gaya berat yang dipengaruhi percepatan graivtasi, gaya Archimedes atau gaya apung dan gaya Stokes atau gaya gesek antara kedua fluida (minyak dan udara). Sedangkan gaya yang bekerja pada tetesan minyak yang jatuh setelah diberi medan listrik adalah gaya berat yang dipengaruhi percepatan graivtasi, gaya Archimedes atau gaya apung, gaya Stokes atau gaya gesek antara kedua fluida (minyak dan udara) serta gaya Coloumb yang disebabkan oleh adanya medan listrik yang mempengaruhi electron pada tetesan minyak tertarik ke kutub positif. Gaya Archimedes yang dialami besarnya sangat kecil sehingga diabaikan. Gaya Stokes dipengaruhi oleh besar viskositas fluida dimana viskositas didefiisikan sebagai tingkat ketahan suatu fluida untuk mempertahankan bentuknya.
Maka dari itu, Gaya Stokes didefinisikan sebagai gaya gesek yang arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak benda seperti pada persamaan (1) berikut ini :
𝐹𝑠 = 6𝜋𝜂𝑟𝑣 (1)
Keterangan :
η = viskositas udara r = radius
v = kecepatan gesakan
Dengan menggunakan prinsip dari gaya pada Hukum I Newton, gaya-gaya yang bekerja pada saat tetesan miyak tersebut berada pada kondisi dimana plat konduktor belum diberi tegangan dan belum menghasilkan medan listrik adalah:
∑ 𝐹 = 0 𝑚𝑔 − 𝐹𝑠 = 0
𝑚𝑔 = 𝐹𝑠 (2)
Dengan menganggap massa pada tetesan minyak merupakan massa benda bulat sempurna maka persamaan (2) menjadi :
𝜌𝑉𝑔 = 6𝜋𝜂𝑟𝑣
𝜌4
3𝜋𝑟3𝑔 = 6𝜋𝜂𝑟𝑣 𝜌4
3𝑟2𝑔 = 6𝜂𝑣 (3)
Sehingga jari-jari (r) pada tetesan minyak dapa dicari:
𝑟2 = 9𝜂𝑣 2𝜌𝑔 𝑟 = √9𝜂𝑣
2𝜌𝑔 (4)
Apabila pada pelat kondensator dengan jarak pelat d dimasuki tegangan U, maka tetesan akan naik dengan kecepatan v1 yang konstan. Kekuatan berat yang berkurang oleh kekuatan daya dorong gesekan stoke dan kekuatan medan elektris menyebabkan tetesan naik dengan persamaan:
𝑚𝑔 + 6𝜋𝜂𝑟𝑣1− 𝑞𝐸 = 0 (5)
Dengan E = U/d dan m = 𝜌4
3𝜋𝑟3 maka persamaan (5) menjadi : 𝜌4
3𝜋𝑟3𝑔 + 6𝜋𝜂𝑟𝑣1− 𝑞𝑈
𝑑 = 0 (6)
Pada metoda kesetimbangan kondensator diberikan suatu tegangan yang menyebabkan tetesan minyak berada pada keadaan mengambang. Kemudian kecepatan v1 diukur setelah tegangan dimatikan tetesan minyak akan menurun (1), Setelah pemakaian persamaan (4) kedalam persamaan (6) dan setelah menghapus harga Q maka akan diperoleh suatu persamaan sebagai berikut:
𝑞 = 6𝜋𝑑𝜂𝑣1
𝑈 √9𝜂𝑣1
2𝜌𝑔 (7)
Dengan nilai-nilai pada persamaan (6) yaitu : 𝜂 = 1,81 𝑥 10−5𝑁𝑠/𝑚2
𝑑 = 6 𝑥 10−3𝑚
𝜌 (𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑗𝑒𝑛𝑖𝑠) = 𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 − 𝜌𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 = 875,3 𝑘𝑔/𝑚3− 1,29 𝑘𝑔/𝑚3 = 874 𝑘𝑔/𝑚3 Maka untuk muatan satu tetesan minyak adalah
𝑞 = 2𝑥10−10(𝑣1)3/2/𝑈 (8)
(Callister, 2007)
Pada metoda dinamis kecepatan menurun v1 dalam ruangan medan bebas (1) dan kecepatan naik v2 pada tegangan U akan di ukur (2). Setelah pemakaian persamaan (1) ke dalam persamaan (2) dan penghapusan besaran Q maka akan diperoleh:
( )
Pg d U
v v v
Q 2
2 18
/ 1 3 2 1
+
= (9)
Setelah dimasukkan harga-harga U, d,dan P maka harga Q dapat dihitung dengan:
( )
AsU v v v
Q=2.10−10 1 + 2 1 (10)
3. Eksperimen
Pada praktikum ini menggunakan alat dan bahan sebagai berikut Tabel 3.1 Alat dan Bahan
No Alat dan Bahan Jumlah
1. Alat millikan 1
2. Alat Netzmillikan 1
3. Stop Watch P 1
4. Kabel Eksperimen 5
5. Alat Penghitung 1
Sebelum melakukan percobaan diperlukan untuk melakukan persiapan alat dengan Langkah-langkah sebagai berikut.
1. Peralatam disusun seperti Gambar 3.1.
2. Petunjuk stop watch elektronik dapat juga diganti dengan memakai alat ukur P . 3. Alat Nertz dibagian belakang alat dihidupkan.
4. Mikrometer Okuler dipasang tegak lurus dan ditajamkan dengan memutar cincin okuler yang hitam.
5. Minyak dimasukkan ke dalam ruang millikan dengan menekan tombol karet, Gambar tetesan minyak ditajamkan dengan memutar skrup
6. Gambar pada mikroskop berupa gambar tebaik ,karena itu semua gerakan yang terlihat berlawanan arah dari yang sebenarnya.
7. Dalam percobaan yang selanjutnya semua gerakan-gerakan digambarkan sebagaimana terlihat dalam mikroskop
8. Digital petunjuk waktu pada stop watch elektronik dengan tombol reset ditekan (jarum penunjuk angka nol)
Gambar 3. 1 Rangkaian alat percobaan dengan pemakaian stop watch elektronik P untuk metoda kesetimbangan
Gambar 3. 2 Rangkaian pemasangan alat hitung P pada metoda kesetimbangan.
Keterangan
1) Schelter untuk membuka dan menutup arus listrik pada stop watch 2) Schelter untuk menghidupkan dan mematikan tegangan
3) Potensiometer tegangan searah 4) Voltmeter
5) Start/Stop
P Dihubungkan dengan kondensator plat L Untuk menerangkan lampu
Setelah melakukan kalibrasi dilanjukan dengan melakukan percobaan dengan langkah langkah sebagai berikut.
1. Minyak disemprotkan ke dalam ruang millikan dengan bola karet ditekan kuat-kuat . 2. Untuk melakukan pengukuran dicari salah satu tetesan minyak pada U = 0 (Naik)
dengan kecepatan skala periodik 1-2.
3. Skalter (1) dan (2) dilihat pada Gambar 1 disetel kearah atas, stop watch siap untuk melakukan pengukuran dan dihubungan pada tegangan kondensator telah dilakukan.
Pada tombol putar 3 distel sedemikian rupa sehingga satu tetes minyak 1/3 ruangan pengamatan tampak melayang. Besar tegangan dicatat.
4. Tegangan (3) distel pada 0 tegangan U dimatikan, secara bersamaan stop watch di start 5. Tetesan minyak yang naik diamati dan stop watch dihentikan dengan menekan scalar
stop (5) apabila tetesan minyak mencapai jarak bagian skala x (umpama zU) 4. Hasil dan Pembahasan
Pengamatan dilakukan dengan metode keseimbangan dan metode dinamis, didapatkan hasil pengamatan dan pengukuran sebagai berikut
Tabel 4.1 Data Pengamatan Metode Kesetimbangan 𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒂𝒍 (𝑼)
(volt) 𝒕 (s) 𝒔 (mm)
68 68,7 7,2
69 68,8 7,1
67 68,9 7,0
68 68,7 7,1
69 68,8 7,2 Tabel 4.2 Data Pengamatan Metode Dinamis
U (volt) 𝒕𝟏 (s) 𝒕𝟐 (s) 𝒔𝟏 (mm) 𝒔𝟐 (mm)
85 13,0 6,8 0,0030 0,0040
85 13,1 6,9 0,0031 0,0041
85 13,2 6,8 0,0032 0,0042
85 13,1 6,9 0,0031 0,0041
83 13,0 6,7 0,0030 0,0040
Data pengamatan tersebut kemudian dianalasis dan didapat hasil rata-rata dan ketidakpastiannya untuk masing-masing metode, seperti pada tabel 4. 3 dibawah ini :
Tabel 4.3 Data Pengamatan Metode Kesetimbangan
𝑷𝒐𝒕𝒆𝒏𝒔𝒊𝒂𝒍 (𝑼) (volt) 𝒕 (s) 𝒔 (m)
68,2 ± 3,742 × 10−1 68,78 ± 3,742 × 10−2 7,12 × 10−3± 3,742 × 10−5 Untuk metode dinamis didapatkan besar tegangan sebesar (84,6 ± 4 × 10−1) 𝑣𝑜𝑙𝑡 ,waktu menurun t1 sebesar (13,08 ± 3,742 × 10−2)𝑠, waktu naik t2 sebesar (6,82 ± 3,742 × 10−2)𝑠, jarak menurun s1 sebesar (3,08 × 10−3± 3,742 × 10−5)𝑚, dan jarak naik s2
sebesar (4,08 × 10−3± 3,742 × 10−5)𝑚.
Dari data tersebut didapatkan kecepatan tetesan minyak pada metode kesetimbangan va
sebesar (1,04 × 10−4± 5,47 × 10−7)𝑚/𝑠. Selain itu didapatkan juga kecepatan menurun tetesan minyak pada metode dinamis v1 sebesar (2,36 × 10−4± 2,94 × 10−6)𝑚/𝑠 dan kecepatan naik tetesan minyak pada metode dinamis v2 sebesar (5,98 × 10−4± 6,39 × 10−6)𝑚/𝑠.
Sehingga didapatkan muatan tetesan minyak berdasarkan metode kesetimbangan Q1
sebesar (3,09 × 10−18± 2,56 × 10−19)𝐶 dan muatan tetesan minyak berdasarkan metode dinamis Q2 sebesar (3,02 × 10−17± 4,18 × 10−18)𝐶. Dapat dilihat dari hasil perhitungan muatan tetesan minyak baik metode kesetimbangan maupun metode dinamis tidak sesuai dengan referensi muatan dari tetesan minyak berdasarkan percobaan Millikan. Maka dari itu hasil yang diperoleh belum dikatakan sesuai. Hal ini dipengaruhi oleh beberapa hal diantaranya kesalahan dalam melakukan pengambilan data, kesalahan dalam membaca skala pada ruang Millikan, serta kesalahan dalam melakukan analisis data.
5. Simpulan
Berdasarkan dari hasil dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa Muatan elementer pada satu tetesan minyak ditentukan dengan metode kesetimbangan dan metode dinamis memiliki muatan masing masing sebesar (3,09 × 10−18± 2,56 × 10−19)𝐶 dan (3,02 × 10−17± 4,18 × 10−18)𝐶. Kecepatan pada metode kesetimbangan (v1) adalah kecepatan naik tetesan minyak yang bermuatan negatif setelah diberikan tegangan awal. Pada saat Tegangan (U) yang merupakan tegangan tetesan minyak mengambang ditentukan sehingga kemudian diberikan tegangan dengan nilai U=0 maka tetesan minyak akan bergerak naik dengan jarak tertentu dan pada waktu tertentu yang merupakan kecepatan pada metode kesetimbangan (v1).
Ucapan Terimakasih
Terima kasih kepada pengampu mata kuliah eksperimen fisika lanjut II yang terhormat Drs. Made Sumadiyasa, M. Si. atas seluruh bimbingan dan arahan sehingga eksperimen berjalan lancar. Kemudian daripada itu, penulis mengucapkan apresiasi yang sebesar-besarnya Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Udayana yang merupakan tempat eksperimen ini berlangsung, dan tidak lupa juga terima kasih kepada
kelompok eksperimen yang membantu penulis dalam eksperimen dan tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu.
Pustaka
Halliday, Resnick. 2011. Fundamentals of Physics – 9th Edition. United States of America:
John Wiley & Sons.
Callister, William D. 2007. Material Science and Engineering, 7th edition. New York: John Wiley and Sons
