M-1 Lintasan - Elektron Ros [PDF]

Citation preview

LINTASAN ELEKTRON DALAM MEDAN MAGNET Rosaldi Pratama* (140310170014), Julian Akmal S. (140310170012) Program Studi Fisika FMIPA Universitas Padjadjaran Sesi 1 : Pukul 09.30-14.30 WIB Selasa, 5 Oktober 2019 Asisten: Natasha Cornelya Abstrak Dalam percobaan ini yaitu lintasan elektron dalam medan magnet ini bertujuan untuk menghitung muatan spesifik e/m melalui defleksi sinar elektron oleh medan magnetik homogen. Elektron merupakan subatom yang bermuatan negatif. Suatu elektron yang bergerak relatif terhadap pengamat akan menghasilkan medan magnet melalui kumparan helmholtz dan lintasan elektron tersebut pun akan dilengkungkan karena adanya gaya sentripetal Fs yang selalu mengarah ke pusat. Dari hasil percobaan didapatkan semakin besar tegangan yang diberikan, diameter lintasan elektron akan semakin besar. Namun jika arus I diperbesar, diameter lintasan akan semakin kecil. Muatan spesifik pada percobaan diameter tetap didapat sebesar 1.5 𝑥 1011 C/kg sampai 2.4 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 0% - 52%, untuk tegangan tetap didapat sebesar 1.1 𝑥 1011 C/kg sampai 9 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 22% - 433%, sedangkan untuk arus tetap didapat e/m sebesar 1,2 𝑥 1011 C/kg sampai 2.19 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 17% - 88%. Kata kunci: lintasan elektron, medan magnet, arus, tegangan, elektron, kumparan HelmHoltz



I. Pendahuluan Elektron adalah partikel kecil penyusun atom yang memiliki massa dan muatan dengan nilai tertentu. Elektron merupakan muatan negative yang bergerak serta dipengaruhi oleh medan magnet homogen sehingga akan timbul gaya Lorentz. Akibat dari gaya Lorentz ini lintasan elektron berubah dari linier membentuk suatu lintasan berbentuk lingkaran dengan jari-jari r. Sehingga gaya Lorentz ini bekerja sebagai gaya sentripetal dimana kecepatan elektron dipengaruhi oleh besanya tegangan anoda yang diberikan. Untuk melihat pengaruh medan magnet terhadap lintasan gerak elektron, maka kita perlu melakukan percobaan ini dengan tujuan untuk menghitung muatan spesifik e/m melalui defleksi sinar elektron oleh medan magnetik homogen. Elektron adalah partikel subatom yang bermuatan negatif ditulis sebagai e-. Elektron sebagai partikel subatom yang bermuatan negatif ditemukan dari sebuah eksperimen yang dilakukan oleh J. J. Thompson tahun 1897.[1]



Gambar 1.1 Partikel penyusun atom Gaya Lorentz merupakan nama lain dari gaya magnetik yaitu gaya yang ditimbulkan oleh medan magnet. Besarnya gaya Lorentz akan memenuhi persamaan berikut. FL = B . I . l sin θ (1) Dengan :



FL = gaya Lorentz (N) B = induksi magnet (wb/m2) I = kuat arus listrik (A) l = panjang kawat (m) θ = sudut antara B dengan I



Gambar 1.2 (a) Arah vector gaya lorentz (b) Kaidah tangan kanan Jika suatu elektron dengan massa m dan muatan e bergerak dengan kecepatan konstan v melewati medan magnet homogen dengan rapat fluks B yang arah kecepatan v dengan medan magnet B adalah tegak lurus, maka pada keadaan demikian muncul gaya Lorentz: 𝐹 = 𝑒𝑣𝐵 sin 𝜃 (2) Karena v dan B tegak lurus, maka 𝜃 = 90𝑜[2] 𝐹 = 𝑒𝑣𝐵 sin 90 𝐹 = 𝑒𝑣𝐵 (3) Hal ini akan menyebabkan perubahan arah dari kecepatan elektron tanpa mengubah kelajuannya, sehingga electron akan bergerak melingkar (lintasan elektron berbentuk lingkaran dengan jari-jari r). Pada gerak melingkar ini, besar gaya Lorentz sama dengan gaya sentripetalnya yakni gaya yang selalu mengarah ke pusat, yaitu: Sehingga :



2.2 Prosedur



(4) Kecepatan elektron dipengaruhi oleh besarnya tegangan anoda yang diberikan (U) dan mempengaruhi nilai r. Pada elektron tersebut, terdapat energi kinetik yang bekerja padanya, yaitu: 1 𝐸𝑘 = 𝑚𝑣 2 2 Sehingga : 1 𝑒𝑈 = 𝑚𝑣 2 2



2𝑒𝑈



𝑣2 =



𝑚



𝑣=√



2𝑒𝑈 𝑚



Subtitusi ke persamaan (4) 𝑒 𝑚 𝑒 𝑚



= =



√



2𝑒𝑈 𝑚



𝑟.𝐵 2𝑈 (𝑟.𝐵)2



(5) [3]



Dengan e/m merupakan muatan spesifik .



II. Metode Penelitian 2.1 Alat dan Bahan Alat percobaan yang digunakan yaitu terdiri atas Fine beam tube (tabung hampa) untuk menempatkan elektron sehingga bebas bergerak, Helmholtz coil, tesla meter untuk mengukur besar medan magnet, power supply sebagai sumber tegangan, voltmeter untuk mengukur tegangan, AV meter untuk mengukur arus dan tegangan, penggaris untuk mengukur diameter lintasan elektron, serta kabelkabel penghubung.



Gambar 2.1 Rangkaian alat percobaan



Gambar 2.2 Prosedur Percobaan Lintasan Elektron dalam Medan Magnet Dalam percobaan ini prosedur yang dilakukan terdiri atas 3 langkah percobaan, yaitu pengukuran arus dan tegangan saat diameter konstan, pengukuran diameter dan arus saat tegangan konstan, serta pengukuran diameter dan tegangan saat arus konstan. Pada percobaan pertama dilakukan pengukuran muatan spesifik dengan diameter lintasan elektron yang dibuat konstan yaitu pada nilai 6 cm dan 8 cm. Dari masing-masing panjang diameter tersebut dilakukan 3 kali pengukuran nilai arus dan tegangan. Pada percobaan kedua dilakukan pengukuran muatan spesifik dengan tegangan yang dibuat konstan yaitu pada nilai 100 volt, 200 volt, dan 300 volt. Dari masingmasing nilai tegangan tersebut dilakukan 3 kali pengukuran arus dan diameter lintasan elektron. Dan pada langkah ketiga dilakukan pengukuran muatan spesifik dengan nilai arus yang dibuat konstan yaitu pada nilai 1 A, 1.25 A, dan 1.5 A. Dari masing-masing nilai arus tersebut dilakukan 3 kali pengukuran nilai tegangan dan diameter lintasan elektron.



III. Hasil dan Pembahasan 3.1 Data Hasil Percobaan Tabel 3.1 Data Hasil Percobaan Kalibrasi Medan Magnet



Tabel 3.2 Data Hasill Percobaan Pada Diameter Konstan



Tabel 3.3 Data Hasill Percobaan Pada Tegangan Konstan



Gambar 3.4 Grafik Hubungan Tegangan terhadap Jari-jari Tabel 3.4 Data Hasill Percobaan Pada Arus Konstan



Gambar 3.1 Grafik Hubungan Medan Magnet terhadap Arus



Gambar 3.2 Grafik Hubungan Tegangan terhadap Induksi Magnet



Gambar 3.3 Grafik Hubungan Induksi Magnet terhadap Jari-jari



Sampel pada diameter konstan 1. Menghitung medan magnet pada 1 A 𝑩 = (0,83291. 𝐼) + 0, ,0416 𝑚𝑇 𝑩 = (0,83291.1) + 0, ,0416 𝑚𝑇 𝑩 = 0,87451 𝑚𝑇 𝑩 = 0,00087451 𝑇 2. Menghitung muatan spesifik e/m pada 1 A 𝑒 2𝑈 2. (117,5) = = 2 𝑚 (𝑟. 𝑩) (0,04.0,00087451)2 𝑒 = 1,9 𝑥 1011 𝐶/𝐾𝑔 𝑚 3. Menghitung muatan spesifik e/m grafik 1 A 𝑒 2𝑎𝑡 2. (265335) = = 𝑚 𝑟. 𝑩2 (0,04)2 . 0,00087451 𝑒 = 290047,63 𝐶/𝐾𝑔 𝑚 4. Menghitung KSR 𝑒/𝑚 analitis 𝑒/𝑚ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔 − 𝑒/𝑚𝑙𝑖𝑡 𝐾𝑆𝑅 = 𝑥100 % 𝑒/𝑚𝑙𝑖𝑡 1,9𝑥1011 − 1,6𝑥1011 𝐾𝑆𝑅 = 𝑥100 % 1,6𝑥1011 𝐾𝑆𝑅 = 20% 5. Menghitung KSR 𝑒/𝑚 grafik 𝑒/𝑚𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑘 − 𝑒/𝑚𝑙𝑖𝑡 𝐾𝑆𝑅 = 𝑥100 % 𝑒/𝑚𝑙𝑖𝑡 290047,63 − 1,6𝑥1011 𝐾𝑆𝑅 = 𝑥100 % 1,6𝑥1011 𝐾𝑆𝑅 = 99,9% 3.2 Analisa Pada praktikum kali ini, yaitu lintasan elektron ini didapatkan data berupa diameter lintasan elektron, tegangan, dan arus. Pada percobaan pertama dengan diameter tetap, data yang didapat yaitu tegangan dan arus. Dari hasil percobaan didapat grafik tegangan V terhadap medan magnet B2 terlihat fluktuatif. Dari grafik tersebut di dapatkan at dan digunakan untuk menghitung e/m grafik dan didapatkan KSR pada e/m grafik sangat besar mencapai 99,9 %. Hal ini disebabkan karena fungsi yang seharusnya adalah fungsi kuadratis, akan tetapi karena dilakukan regresi linier untuk merubah fungsinya jadi fungsi linier, sehingga terdapat error yang cukup besar. Sedangkan nilai muatan spesifik pada percobaan ini sebesar 1.5 𝑥 1011 C/kg sampai 2.4 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 0% - 52%. Pada percobaan kedua yakni arus tetap didapat data diameter dan tegangan. Terlihat dari grafik



tegangan V terhadap jari-jari lintasan r2 yang cenderung linear (berbanding lurus). Didapatkan nilai e/m grafik pada percobaan ini yang lumayan kecil KSRnya. Muatan spesifik e/m didapat sebesar 1,2 𝑥 1011 C/kg sampai 2.19 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 17% - 88%. Pada percobaan ketiga yakni tegangan konstan sehingga didapatkan data arus dan diameter. Dari hasil percobaan didapatkan grafik medan magnet B 2 terhadap jari-jari 1/r2 didapat linear (berbanding lurus) sesuai dengan teori diatas sedangkan KSR grafik didapat cukup besar sampai ratusan. Hal ini disebabkan karena fungsi yang seharusnya adalah fungsi kuadratis, akan tetapi karena dilakukan regresi linier untuk merubah fungsinya jadi fungsi linier, sehingga terdapat error yang cukup besar.. Muatan spesifik e/m didapat 1.1 𝑥 1011 C/kg sampai 9 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 22% - 433%. Dari ketiga percobaan tersebut terlihat bahwa semakin besar arus maka diameter lintasan elektron akan semakin kecil sedangkan apabila tegangan semakin besar maka diameter lintasan elektron akan semakin besar. Hal ini karena ketika kumparan Helmholtz yang berbentuk lingkaran dialiri arus maka arus pun akan bergerak melingkar sesuai bentuk kumparan tersebut dan akan menginduksi adanya medan listrik yang arahnya tegak lurus terhadap arus. Semakin besar arusnya maka induksi magnet yang dihasilkan pun akan semakin besar, sehingga membelokkan elektron dengan kuat dan membuat lintasan elektron akan semakin tertarik ke dalam dan menyebabkan diameter lintasan elektron semakin kecil. Sedangkan saat tegangan diperbesar maka lintasan elektron akan semakin kecil. Hal ini karena dari prinsip kekekalan energi yang mengatakan bahwa jika tidak ada usaha yang dikenakan pada elektron maka elektron tersebut akan mempunyai energi kinetik akibat tegangan. Elektron tersebut bergerak dalam medan magnet homogen sehingga terjadi perubahan arah dari kecepatan elektron. Pada gerak melingkar ini besar gaya sentripetal sama dengan besar gaya medan magnet pada elektron tersebut, sehingga apabila tegangan diperbesar maka akan mempercepat pergerakan elektron dan menyebabkan diameter lintasan elektron semakin besar. Kedua hal ini sesuai teori yang mengatakan bahwa apabila elektron bergerak dalam ruang yang dipengaruhi medan magnet maka muatan tersebut akan mengalami gaya sehingga pergerakan elektron tersebut akan menyimpang.



IV. Kesimpulan Setelah dilakukan percobaan pada praktikum ini didapatkan semakin besar tegangan yang diberikan, diameter lintasan elektron akan semakin besar. Namun jika arus I diperbesar, diameter lintasan akan semakin kecil. Muatan spesifik pada percobaan diameter tetap didapat sebesar 1.5 𝑥 1011 C/kg sampai 2.4 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 0% - 52%, untuk tegangan tetap didapat sebesar 1.1 𝑥 1011 C/kg



sampai 9 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 22% - 433%, sedangkan untuk arus tetap didapat e/m sebesar 1,2 𝑥 1011 C/kg sampai 2.19 𝑥 1011 C/kg dengan besar KSR 17% - 88%.



Daftar Pustaka [1] [2]



[3]



Supriynto,Andi.2016. Struktur Atom. www.andysupriyanto.com/2016/05/apa (diakses 11 November 2019) Auliah. 2015. Teori Atom J.J Thomson dan Sejarahnya.http://fungsi.web.id/2015/05/te ori-atom-jjthomson-dan-sejarah-penemuanelektron.html (diakses 11 November 2019) Wulandari, Rizki. 2011. Penentuan e/m. http://rwulandari.blog.uns.ac.id/files/2011/ 11/em-m0209045.docx (diakses 11 November 2019)