Eksperimen Tetes Minyak Millikan - Supriv1 [PDF]

Citation preview

Eksperimen Tetes Minyak Millikan (Millikan's Oil Drop Experiment) Supriyadi, M.Si



Tujuan Eksperimen 1. Memperoleh pengalaman eksperimen tetes minyak milikan melalui simulasi 2. Dapat menentukan kecepatan terminal dari tetes minyak 3. Mengetahui pengaruh pemberian muatan pada tetes minyak dan tegangan plat chamber terhadap gerak tetes minyak 4. Dapat menentukan/menghitung muatan tetes minyak 5. Dapat membuktikan kuantisasi muatan elektron Teori Hampir di semua bidang kajian bidang ilmu fisika, elektron memiliki peran yang cukup penting. Eksperimen tetes minyak Millikan merupakan salah satu eksperimen untuk mempelajari sifat elektron yaitu muatannya. Seperti yang kita ketahui bersama bahwa tetapan muatan elektron merupakan salah satu konstanta fundamental yang banyak dipakai dan berpengaruh luas terhadap perkembangan ilmu fisika. Eksperimen lain yang juga sangat terkait dengan sifat elektron yaitu rasio muatan dan massa elektron (e/m) yang akan dipelajari dalam modul praktikum lain yaitu eksperimen sinar katoda. Eksperimen pengukuran muatan elektron diawali oleh J.S Townsend pada tahun 1897. Robert A. Millikan dibantu oleh Fletcher pada tahun 1909 berhasil melakukan pengukuran yang lebih baik dan sampai sekarang dikenal sebagai “Eksperimen tetes minyak Millikan”. Pada saat eskperimen tersebut dikembangkan, keberadaan partikel sub atomik termasuk elektron, belum diterima secara luas. Dalam eksperimennya, Millikan menggunakan peralatan dengan skema seperti pada Gambar 1.



Gambar 1. Skema peralatan “eksperimen tetes minyak Millikan” (vlab.amrita.edu,. 2011)



Peralatan eksperimen terdiri dari sebuah atomizer yang berfungsi untuk menyemprotkan tetes tetes kecil. Dengan menggunakan teleskop khusus, tetes-tetes kecil tersebut dapat diamati dengan baik. Terdapat 2 buah plat pada bagian atas dan bawah chamber yang dihubungkan dengan sumber daya DC. Udara pada bagian dalam chamber terionisasi oleh sinar X. Ketika tetes-tetes minyak bergerak di dalam chamber maka, elektron terakumulasi pada permukaan tetes-tetes minyak sehingga bermuatan negatif. Arah dan kecepatan gerak tetes-tetes minyak dapat diatur dan dikendalikan dengan memberikan tegangan yang sesuai pada plat. Millikan mengamati tetes-tetes minyak tersebut dan melakukan variasi tegangan serta mencatat pengaruhnya. Setelah melakukan terhadap tetes minyak yang cukup banyak, Millikan menyimpulkan bahwa tetes minyak hanya mempunyai muatan dengan nilai tetap tertentu. Milikan melakukan pengulangan yang cukup banyak untuk berbagai ukuran tetes, terbukti bahwa semua muatan pada tetes minyak merupakan kelipatan nilai tertentu dan berhasil dihitung nilainya adalah 1,5924(17) x 10-19 C, dengan selisi 1% dari nilai 1,602176487(40) x 10-19 C. Dia menduga bahwa ini adalah muatan sebuah elektron. Eksperimen tetes minyak milikan ini berhasil mengantarkan Millikan memenangkan Nobel fisika pada tahun 1923. Eksperimen tetes minyak milikan pertama kali dijelaskan oleh R.A Millikan pada tahun 2013 pada Jurnal Physical Review vol 2 series 2. Beberapa perusahan besar penyedia peralatan praktikum/eksperimen seperti PASCO dan LEYBOLD juga telah mengembangkan dan membuat set peralatan untuk eksperimen tetes minyak Millikan. Berdasarkan penjelasan dari buku, artikel dan manual book dari set peralatan, gerak tetestetes minyak yang telah diberi muatan listrik dalam chamber menggunakan konsep yang relatif sederhana yaitu gerak fluida dan pengaruh gaya listrik. Kedua plat konduktor pada bagian atas dan bawah chamber diberi tegangan sehingga menimbuklan medan listrik yang homogen. Gerak tetes minyak bermuatan dalam medan listrik yang homogen dipengaruhi oleh gaya-gaya : 1. Gaya gravitasi 𝑚𝑚𝑦𝑘 ∙ 𝑔 , dimana 𝑚𝑚𝑦𝑘 adalah massa tetes minyak 2. Gaya apung 𝑚𝑢𝑑 ∙ 𝑔 , dimana 𝑚𝑢𝑑 adalah massa udara dalam chamber yang dipindahkan oleh tetes minyak 3. Gaya listrik, 𝑄 ∙ 𝐸 4. Gaya hambat Stokes Dengan asumsi bahwa tetes minyak berupa tetes bulat dan bergerak dalam udara yang relatif diam/tenang. Hukum Stoke menyatakan bahwa ketika sebuah benda berbentuk bulat dengan jari-jari 𝑟 bergerak dalam fluida dengan viskositas 𝜂 pada kecepatan 𝑣 dalam kondisi aliran laminar, maka gaya viskos 𝐹 pada benda 𝐹 ≈ 6𝜋𝑟𝜂𝑣. Gaya ini selalu berlawanan terhadap arah gerak benda dan menyebabkan tercapainya kecepatan terminal pada tetes yang diamati. Gerak tetes minyak yang telah bermuatan dalam chamber dapat dijelaskan berdasarkan Gambar 2.



Gambar 2. Gaya-gaya yang berkerja pada tetes minyak bermuatan a. saat bergerak ke bawah b). saat bergerak ke atas Rumusan gerak ke bawah tetes minyak pada saat tercapai kecepatan terminal ke bawah v1 ∑𝑭 = 0 𝐹𝑔 − 𝐹𝑏 − 𝐹 = 0 (𝑚𝑚𝑦𝑘 − 𝑚𝑢𝑑 ) ∙ 𝑔 − 6𝜋𝑟𝜂𝑣1 = 0; 𝑚 = 𝜌𝑉; 𝑉 = (4/3)𝜋𝑟 3 (volume tetes minyak) (4/3)𝜋𝑟 3 (𝜌𝑚𝑦𝑘 − 𝜌𝑢𝑑 ) ∙ 𝑔 − 6𝜋𝑟𝜂𝑣1 = 0 (1) Rumusan gerak ke bawah tetes minyak pada saat tercapai kecepatan terminal ke atas v2 dalam pengaruh medan listrik E .∑ 𝑭 = 0 𝐹𝑔 − 𝐹𝑏 − 𝐹𝑒 + 𝐹 = 0 (𝑚𝑚𝑦𝑘 − 𝑚𝑢𝑑 ) ∙ 𝑔 − 𝑄𝐸 + 6𝜋𝑟𝜂𝑣2 = 0 (4/3)𝜋𝑟 3 (𝜌𝑚𝑦𝑘 − 𝜌𝑢𝑑 ) ∙ 𝑔 − 𝑄(𝑉/𝑑) + 6𝜋𝑟𝜂𝑣2 = 0



(2)



Untuk dapat menentukan muatan tetes minyak 𝑄 maka, kombinasikan persamaan (1) dan (2) 𝑄=



18𝜋𝑑 √2𝑔(𝜌𝑚𝑦𝑘 −𝜌𝑢𝑑 )



3



𝑣



𝜂2 (𝑣1 + 𝑣2 ) √𝑉1



Keterangan : 𝑚𝑚𝑦𝑘 = massa tetes minyak 𝑚𝑢𝑑 = massa udara yang dipindahkan oleh tetes minyak 𝑔 = percepatan gravitasi 𝑟 = jari-jari tetes minyak 𝜂= viskositas udara 𝜌𝑚𝑦𝑘 =massa jenis minyak 𝜌𝑢𝑑 =massa jenis udara 𝑄 = muatan pada tetes minyak



(3)



𝐸= medan listris diantara 2 plat pada chamber Milikan 𝑣1 =kecepatan terminal kebawah tetes minyak 𝑣2 =kecepatan terminal ke atas tetes minyak 𝑉= tegangan antara 2 plat konduktor pada chamber Millikan 𝑑 = jarak antara 2 plat konduktor pada chamber Millikan Berdasarkan persamaan (3), muatan pada tetes minyak dapat dihitung dengan melakukan pengamatan dan pengukuran kecepatan terminal ke bawah 𝑣1 , kecepatan terminal ke atas 𝑣2 , dan potensial yang diberikan 𝑉, sedangkan parameter yang lainnya dalam persamaan tersebut ditentukan berdasarkan set peralatan eksperimen tetes minyak Millikan serta minyak yang digunakan. Dalam melakukan eksperimen, banyaknya muatan pada tetes minyak juga dapat divariasikan, demikian juga dengan besarnya tegangan yang diberikan pada kedua plat pada chamber Millikan. Prosedur/ Langkah Kerja 1. Buka alamat web http://iwant2study.org/lookangejss/06QuantumPhysics/ejss_model_millikan/ Berikut merupakan tampilan awal halaman web



Gambar 3. Tampilan simulasi eksperimen tetes minyak Millikan Panel bagian atas terdiri dari a. Drag (warna abu-abu) : menyatakan gaya stokes yang arahnya selalu berlawanan dengan arah gerak tetes minyak b. q*E (warna biru) : menyatakan gaya listrik pada chamber yang memiliki arah vertikal ke atas c. vy (warna merah ) : menyatakan gerak kecepatan gerak (dengan arah vertikal ke atas atau ke bawah) d. mg (warna jingga) : menyatakan gaya gravitasi pada tetes minyak



2. 3. 4.



5. 6. 7.



Jika tanda centang dihidupkan pada ke empat panel diatas, maka pada tetes minyak (lingkaran warna kuning) akan tampak ke empat vektor yang mewakili masingmasing besaran tersebut e. auto (warna hijau) : mengatur gerak tetes minyak ke bawah dan ke atas secara otomatis f. Voltage (warna kuning) : merupakan pengaturan tegangan yang diberikan pada plat bagian atas dan bawah chamber, rentang pengaturan mulai dari 0 – 15.00 Volt, dapat diatur dengan menggeser bar pengaturan voltage. Jika tanda centang di-klik maka akan nampak visualisasi gaya listrik pada chamber dan dapat menyebabkan tetes minyak bergerak ke atas g. change Q : mengubah jumlah elektron pada tetes minyak h. new drop : membuat tetes minyak baru dengan ukuran jari-jari dan muatan yang yang spesifik dan berbeda-beda i. play/pause : menjalankan/menghentikan gerak tetes minya j. refresh : memulai simulasi dari awal Jendela utama sebelah kiri warna hijau merupakan simulasi gerak tetes minyak lengkap dengan gaya-gaya/besaran yang bekerja (diaktifkan dengan klik tanda centang). Pada bagian atasnya terdapat keterangan jari-jari tetes minyak dalam satuan mikrometer; kecepatan turun terminal (Vdown) dan kecepatan naik terminal (Vup) dalam satuan m/s2; dan hasil perhitungan muatan pada tetes minyak dalam satuan **x10-19C. Sedangkan keterangan bagian bawah menyatakan kecepatan realtime yang berubah-ubah sesuai gerak tetes minyak. Jendela utama sebelah kanan merupakan grafik antara kecepatan vertikal terhadap waktu, kecepatan terminal tetes minyak ditandai dengan kurva yang mendatar (konstan terhadap waktu). Bagian paling bawah merupakan keterangan author dan lisensi Untuk memulai simulasi, klik “refresh”, kemudian segera klik “pause”. Catat jarijari tetes minyak ! Beri tanda centang pada drag, q*E, vy, dan mg, serta hilangkan tanda centang pada auto. Atur tegangan pada nilai tertentu dan catan nilainya kemudian klik “play”, biarkan tetes minyak bergerak sampai tercapai kecepatan terminal dan mendekati batas bawah, catat nilai tersebut sebagai vdown. Sebelum tetes minyak menyentuh batas bawah, aktifkan tanda centang pada “voltage” agar tetes minyak bergerak ke atas dan tercapai kecepatan terminal, catat sebagai vup. Note : usahakan nilai vdown dan vup tidak terlalu jauh berbeda Untuk ukuran jari-jari tetes yang sama dan tegangan yang sama, klik “change Q”, catat vdown dan vup ! Untuk ukuran jari-jari tetes yang sama, rubah tegangan sebanyak 3 kali serta lakukan juga klik “change Q”, catat vdown dan vup ! Ulangi simulasi experimen tetes minyak milikan diatas (langkah 2-6) sehingga didapatkan data untuk 5 ukuran jari-jari tetes minyak yang berbeda



Tabel Data Tetes minyak ke-



Jari-jari (μm)



Tegangan Perubahan (V) muatan ……



1



……



…… …… ……



2



……



…… …… ……



3



……



…… …… ……



4



……



…… …… ……



5



……



…… ……



1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2



Kecepatan terminal (m/s)



vdown …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……



vup …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……



Muatan (…x10-19 C



…… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… …… ……



Tugas Laporan Eksperimen 1. Berdasarkan pengalaman simulasi eksperimen tetes minyak Millikan, berikan penjelasan gerak tetes minyak ke bawah dan keatas berdasarkan konsep gaya-gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut! 2. Amati data pada tabel pengamatan, jelaskan pengaruh pemberian muatan yang berbeda pada sebuah tetes minyak (pada tegangan yang sama) !



3. Amati data pada tabel pengamatan, jelaskan pengaruh pemberian tegangan yang berbeda pada sebuah tetes minyak! 4. Hitung muatan tetes minyak berdasarkan data pada tabel dan isikan pada kolom terakhir ! (𝑣𝑑𝑜𝑤𝑛 + 𝑣𝑢𝑝 ) ∗ √𝑣𝑑𝑜𝑤𝑛 𝑄 = 0,227 ∗ 10−19 𝐶 𝑉 5. a. Hitunglah selisih muatan tetes - tetes minyak tersebut untuk mendapatkan muatan elementer b. Dengan asumsi satu tetes minyak dapat menangkap elektron sebanyak kelipatan dari bilangan bulat, 𝑄 = 𝑛 ∗ 𝑒, dengan n=bilangan bulat, buatlah grafik hubungan antara Q terhadap n, tentukan muatan elektron e berdasarkan grafik tersebut ! 6. Jelaskan bagaimana kuantisasi dapat ditunjukkan oleh data ekperimen ! Referensi 1. Serway, J. 2007. Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics (Aise, Chapters 1-46): 1. Oxford Oxfordshire: Oxford University Press 2. Millikan, R.A. 1913, On The Elementari Electrical Charge and The Avogadro Constan, Physical Review Vol 2 series 2 3. -, 2019. Buku Panduan Praktikum Eksperimen fisika 1 ed TA 2019/2020, Jur Fisika FMIPA Univ. Jember 4. Pasco, tanpa tahun, Instruction Manual and Experiment Guide for PASCO scientific Model AP-8210 "Millikan Oil Drop Appartus". Rosseville CA, www.pasco.com 5. vlab.amrita.edu,. (2011). Millikan's oil drop experiment. Retrieved 21 September 2020, from vlab.amrita.edu/?sub=1&brch=195&sim=357&cnt=1 6. http://iwant2study.org/lookangejss/06QuantumPhysics/ejss_model_millikan/ 7. http://www.phy.ntnu.edu.tw/ntnujava/index.php?topic=1913.0