Laporan Praktikum Nisbah e/m
www.hajarfisika.com
I. Latar Belakang
Nisbah atau perbandingan antara muatan elektron (e) dengan massa elektorn (me) dapat diketahui dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan medan listrik dan medan magnet. Percobaan ini sebelumnya telah dilakukan oleh Julius Plocker. Kemudian peristiwa ini dijelaskan oleh Sir William Crockes pada tahun 1879 yang berhasil menunjukkan bahwa sinar katoda adalah berkas sinar bermuatan negatif yang oleh Thomson disebut sebagai elektron.
Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat diketahui setelah
percobaan yang dilakukan oleh J.J Thomson, yaitu dengan menggunakan peralatan
sinar katoda. Harga e dapat didekati dengan harga perbandingan e/m yang
diperoleh dari hubungan antara nilai arus (I), tegangan elektroda (V), dan
radius lintasan elektron (r). Hubungan antar ketiganya dapat diketahui dari
sifat-sifat coil Helmholtz yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat
lintasan elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat
perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda(Zemansky,1986).
Berdasarkan percobaan yang pernah dilakukan oleh Thomson
tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali hubungan-hubungan
tersebut.
II. Tujuan Percobaan
2.2 Menghitung nilai e/m dari elektron
III. Dasar Teori
Pada tahun 1897,
seorang fisikawan Inggris J.J. Thomson, melakukan percobaan untuk meyakinkan
bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif. Dalam
percobaan ini, Thomson melewatkan sinar katoda dari katoda K melalui celah sempit pada anoda A, seperti pada gambar 1, yang kemudian terus melaju melalui 2 plat
deflektor sejajar x dan x’ yang dihubungkan ke kutub kutub
baterai. Sinar katoda yang keluar dari celah 2 plat bermuatan tadi akhirnya
membentur permukaan dalam tabung Geissler
yang dilapisi dengan bahan fluorens
berskala. Ketika hubungan plat x dan x’ ke baterai diputuskan, lintasan sinar
katoda didapati sepanjang garis terputus putus pada gambar 3.1. Namun ketika
plat x diberi muatan negatif dan x’ positif, sinar katoda didapati
dibelokkan ke bawah menjauhi plat x.
Kenyataan ini menunjukkan bahwa partikel sinar katoda memang benar bermuatan
listrik negatif. Di sisi tabung tempat x
dan x’ terpasang, Thomson memasang
dua kutub berlawanan dari suatu magnet elektro. Penempatannya sedemikian rupa
sehingga garis gaya medan magnetnya menyilang tegak lurus garis medan listrik
antara plat x dan x’, kekuatan medan magnet ini diatur sedemikian rupa sehingga
mengakibatkan pembelokan sinar katoda yang sama besar tetapi berlawanan arah
dari yang diakibatkan oleh medan magnet antara x dan x’. Susunan ini
memberi akibat bahwa sinar katoda yang terpancar dari plat x akan merambat ke plat x’
menurut suatu garis lurus. Dengan mengukur besar medan listrik dan magnet ini,
Thomson berhasil menentukan nilai banding muatan listrik partikel sinar katoda terhadap
massanya, yaitu nisbah (e/m). Nilai
yang didapat sekitar 200 kali lebih besar dari pada yang dimiliki ion hidrogen,
partikel kecil saat itu(Wospakrik,2005).

Prinsip kerja dari percobaan
nisbah e/m J.J. Thomson adalah dengan
memanfaatkan penembak elektron untuk menembakkan elektron ke dalam tabung
vakum. Kemudian lintasan dari elektron tersebut yang sebelumnya merupakan garis
lurus, lintasan berubah menjadi lingkaran akibat medan magnet yang ditimbulkan
oleh kumparan Helmholtz yang
diberikan kuat arus listrik. Diameter berkas lintasan elektron (lingkaran)
inilah yang akan diukur menggunakan penggaris yang kemudian ditentukan
jari-jarinya. Lalu nisbah e/m dari
elektron tersebut dapat ditentukan(Supriyadi,2000).
Cara kerja
tabung sinar katoda pertama bergantung pada fenomena emisi termionik, yang
ditemukan oleh Thomson Edison pada saat mengerjakan eksperimen pengembangan
bola lampu listrik. Untuk memahami bagaimana emisi termionik terjadi, bayangkanlah
2 plat kecil (elektroda) di dalam bola atau tabung hampa udara yang diberi beda
potensial. Elektroda negatif disebut katoda, yang positif anoda. Jika katoda
negatif di panaskan (biasanya dengan arus listrik) sampai panas dan berpijar, ternyata
muatan negatif meninggalkan katoda dan mengalir ke anoda positif. Muatan-muatan
negatif ini sekarang disebut elektron, tetapi pada awalnya disebut sinar katoda
karena kelihatannya datang dari katoda(Giancoli,2001).
Katoda biasanya
berupa suatu filamen atau suatu oksida logam. Ketika filamen atau oksida logam
ini dipanaskan dengan suatu sumber listrik, elektron-elektron dalam katoda ini
memperoleh energi. Dengan energi ini, elektron-elektron ini akan melepaskan
diri dari ikatan molekul-molekul pada katoda sehingga mereka akan keluar
meninggalkan katoda. Peristiwa keluarnya elektron-elektron dari suatu material
akibat pemanasan dinamakan emisi
termionik. Energi minimun yang dibutuhkan untuk melepas elektron dari
katoda dinamakan fungsi kerja. Emisi
termionik biasanya terjadi pada suhu tinggi sekali, itulah sebabnya proses
ini tidak terjadi pada semua logam (pada suhu tinggi sekali banyak logam akan
melebur)(Surya,2009).
Energi kinetik yang
dimiliki elektron dapat dicari dari patensial ambang (pada saat arus = 0). Beda
potensial ini bersifat menahan laju elektron. Seiring dengan kenaikan beda
potensial yang diberikan dari sumber tegangan, penunjukan jarum amperemeter akan mengecil. Jika suatu ketika
jarum amperemeter menunjukkan angka nol, artinya tidak ada elektron yang lepas
dari permukaan anoda. Berarti, besarnya energi potensial yang diberikan oleh sumber
tegangan sama dengan energi kinetik yang dimiliki elektron. Nilai beda
potensial pada saat itu disebut potensial penghenti. Sebuah elektron bermassa m dan bermuatan c yang dipercepat dengan beda potensial V akan memiliki energi kinetik sebesar :
Ek = eV ..........(1)
Jika kecepatan elektron v, maka energi kinetik dapat dinyatakan sebagai(Sears,1986) :
eV = 1/2.m.v2 ..........(2)
Jika partikel
bermuatan (elektron) bergerak dengan kecepatan v di daerah dengan kuat medan B,
maka partikel tersebut akan mengalami pembelokan yang diakibatkan oleh
timbulnya gaya magnetik (Fm). Jika muatan elektron
adalah e dan kecepatan adalah v, maka elektron akan mengalami gaya
magnetik yang besarnya :
Fm = e (V x B) ..........(3)
Untuk medan
magnetik yang seragam dan arah kecepatan elektron tegak lurus terhadap medan
magnet, elektron akan memiliki lintasan berbentuk lingkaran. Hal ini
diakibatkan dari perubahan arah kecepatan elektron tanpa mengubah kelajuannya
yang disebabkan oleh gaya sentripetal. Besarnya gaya sentripetal itu dirumuskan
sebagai :

Pada gerak melingkar
ini besar gaya sentripetal sama dengan besar gaya magnetik elektron tersebut
yaitu :

Persamaan diatas
disebut formula siklotron, karena
persamaan tersebut menggambarkan gerak partikel di dalam sebuah siklotron (alat pemercepat partikel)(Wiyanto,2008).
Dalam percobaan
sinar katoda, terdapat 2 gaya yang bekerja yaitu gaya elektromagnetik dan gaya
sentripetal. Gaya sentripetal ini muncul diakibatkan karena bentuk lintasan
dari gaya elektromagnetik berbentuk lingkaran. Sehingga pada saat memasuki
daerah medan magnetik akan terjadi kesetimbangan gaya yaitu antara magnetik dan
gaya sentripetal. Dengan mensubtitusikan persamaan (5) dengan persamaan (2)
maka akan didapatkan(Krane,2011) :

Persamaan (6)
disubstitusikan ke persamaan (2) :

IV. Metodologi Percobaan
4.1 Alat dan Bahana. Seperangkat tabung Thompshon Phywe (1 set), sebagai alat percobaan
b. Sumber tegangan tinggi 0-5 kV (1 buah), sebagai pemberi tegangan
c. Sumber arus (1 buah), sebagai pemberi arus
d. Multimeter (1 buah), sebagai pengukur tegangan
e. Amperemeter (1 buah), sebagai pengukur arus
f. Kabel penghubung (secukupnya), sebagai penghubung komponen 1 dengan lainnya
4.2 Gambar Rangkaian Alat

4.3 Langkah Kerja
4.3.1 Percobaan 1 (V konstan)

4.3.2 Percobaan 2 (I konstan)

V. Data dan Analisa
5.2 Analisa Data
Prinsip dasar yang digunakan pada percobaan
ini adalah ketika suatu elektron berada dalam suatu area yang dipengaruhi oleh
medan magnet, maka elektron tersebut akan mengalami penyimpangan atau
dibelokkan. Prinsip kerjanya yaitu dengan memanfaatkan penembak elektron (sinar
katoda) ke dalam vakum, yang mana membuat elektron bergerak dalam lintasan garis
lurus, kemudian lintasan berubah menjadi berbentuk lingkaran akibat diberi
medan magnet, sehingga dapat diukur jari-jari lintasan melingkar elektronnya,
serta dengan menggunakan berbagai persamaan terkait akibat gaya sentripetal
sama dengan gaya medan magnet, nilai perbandingan antara muatan elektron dengan
massa elektron (e/m) dapat
ditentukan.
Pembelokan elektron disebabkan oleh
medan magnet yang dihasilkan dari kumparan Helmholtz,
ketika elektron memasuki medan magnet maka arah kecepatan elektron dari katoda
ke anoda akan tegak lurus terhadap arah medan magnet, sehingga terlihat
pancaran berkas seperti berbentuk lingkaran dengan jari-jari tertentu sebagai
lintasan elektron yang dilalui (gaya medan magnet = gaya sentripetal). Sinar katoda tidak
dapat dilihat dengan mata, oleh karena itu digunakan suatu zat pada ruang vakum
di dalam tabung kaca, yaitu zat Helium sehingga dapat terbentuk sebuah sinar
pendaran berwarna kebiru-biruan. Warna sinar kebiruan ini dapat terlihat akibat
adanya panjang gelombang yang dicapai oleh elektron valensi He
ketika bertumbukkan dengana elektron pada katoda.
Pada tabel 1 percobaan pertama dengan
V konstan (variasi I) didapatkan diameter lintasan elektron
yang berbanding terbalik dengan kenaikan arus (I). Ketika arus semakin dibesarkan maka diameter lintasan
elektronnya semakin mengecil (I ~ 1/d).
Medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan selenoida pada titik pusat
digunakan untuk
variabel bebas pada grafik (karena I
yang divariasi) dan variabel terikatnya adalah kuadrat jari-jari lintasan elektron. Berikut ini adalah gambar
grafiknya :

Banyaknya kumparan Helmholtz pada percobaan ini adalah 154
dengan jari-jari kumparannya sebesar 0,2 m. V
konstan pada percobaan pertama ini adalah sebesar 140,2 volt dan variasi medan
magnet akibat variasi I. Dari grafik
hubungan antara r2 dengan
1/B2 di atas didapatkan gradiennya sebesar 1,1327.10-12. Hasil
dari gradien ini kemudian digunakan untuk menentukan nilai e/m melalui persamaan garis
.
Didapatkan nilai perbandingan e/m
sebesar 2,47.1010 C/kg dengan kesalahan relatif dan ketelitian
masing-masing sebesar
19,5% dan 80,5%. Gradien ini juga digunakan untuk menghitung nilai perbandingan
e/2m, yang dari percobaan ini didapatkan
sebesar 1,24.1010 C/kg dengan kesalahan relatif dan ketelitian
masing-masing sebesar 17,7% dan 82,3%.
Pada tabel 2 percobaan
kedua dengan I konstan sebesar 1 A
(variasi V), didapatkan diameter lintasan
melingkar elektron yang berbanding lurus dengan kenaikan tegangan (V). Ketika tegangan dinaikkan atau
dibesarkan maka diameter lintasan elektronnya juga semakin membesar (V ~ d). Nilai V adalah nilai yang divariasikan, maka dari itu nilai V
(tegangan) menjadi variable bebasnya dan variabel terikatnya adalah kuadrat jari-jari lintasan
elektron. Berikut ini adalah gambar grafiknya :

Medan magnet pada percobaan kedua ini
adalah sebesar 9,671.10-4 T. Dari grafik hubungan antara r2 dengan V di atas didapatkan gradiennya sebesar 1,517.10-5.
Kemudian didapatkan nilai perbandingan e/m
sebesar 1,4096.1011 C/kg dengan kesalahan relatif dan ketelitian
masing-masing sebesar 7,4% dan 92,6%. Gradien ini juga digunakan untuk
menghitung nilai perbandingan e/2m,
yang mana dari percobaan ini didapatkan sebesar 0,7048.1011 C/kg
dengan kesalahan relatif dan ketelitian masing-masing sebesar 6,8% dan 93,2%.
Menurut literatur dari Fisika Sains
untuk dan Teknik edisi ketiga jilid 2 karya Tipler, nilai perbandingan e/m adalah sebesar 1,7588.1011
C/kg. Hasil perbandingan e/m dari
kedua grafik di atas
mendekati nilai dari perbandingan e/m
pada literatur. Hal ini menunjukkan bahwa percobaan yang dilakukan ini cukup
akurat. Perbedaan kecil nilai e/m
pada percobaan dengan literatur disebabkan oleh kesalahan-kesalahan yang
dilakukan selama percobaan seperti pembacaan nilai arus dan tegangan pada
multimeter, kesalahan mengukur diameter lintasan elektron, kesalahan
perhitungan, dan kesalahan pembuatan grafik.
VI. Kesimpulan
VI. Kesimpulan
6.1 Lintasan gerak elektron yang
terbentuk akibat
pengaruh medan magnet adalah lingkaran. Hal ini disebabkan oleh kumparan Helmholtz yang menghasilkan suatu medan magnet yang
tegak lurus terhadap kecepatan elektron, sehingga elektron bergerak pada
lintasan melingkar (gaya
medan magnet = gaya sentripetal).
6.2 Nilai perbandingan e/m dari elektron yang didapatkan saat V konstan yaitu sebesar 2,47.1010 C/kg dengan ketelitian sebesar 80,5% sedangkan saat I konstan yaitu sebesar 1,4096.1011 C/kg dengan ketelitian sebesar 92,6%. Sementara pada literatur, nilai perbandingan e/m dari elektron yaitu sebesar 1,7588.1011 C/kg.
VII. Daftar Pustaka
6.2 Nilai perbandingan e/m dari elektron yang didapatkan saat V konstan yaitu sebesar 2,47.1010 C/kg dengan ketelitian sebesar 80,5% sedangkan saat I konstan yaitu sebesar 1,4096.1011 C/kg dengan ketelitian sebesar 92,6%. Sementara pada literatur, nilai perbandingan e/m dari elektron yaitu sebesar 1,7588.1011 C/kg.
VII. Daftar Pustaka
Giancoli, D.C. 2001. Fisika Jilid 1 Edisi 5. Jakarta :
Erlangga.
Krane, K. 2011. Modern Physics Third Edition. USA : John
Wiley & Sons, Inc.
Sears, F.W. & M.W. Zemansky. 1986. Fisika untuk Universitas Jilid 2. Bandung : Bina cipta.
Supriyadi. 2000. Konsep Dasar Fisika Modern. Yogyakarta :
UNY.
Surya, Y. 2009. Fisika Modern. Tangerang: PT. Kandel.
Wiyanto. 2008. Elektromagnetika. Yogyakarta : Graha
Ilmu.
Wospakrik, H.J. 2005. Dari Atomos Hingga Quark. Jakarta :
Gramedia.VII. Bagian Pengesahan
-
VIII. Lampiran
0 Response to "Laporan Praktikum Nisbah e/m"
Post a comment