Laporan Praktikum Nisbah E/M
www.hajarfisika.com
I. Latar Belakang
Nisbah atau perbandingan antara muatan elektron (e) dengan massa elektorn (me) sanggup diketahui dengan memakai peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan medan listrik dan medan magnet. Percobaan ini sebelumnya telah dilakukan oleh Julius Plocker. Kemudian insiden ini dijelaskan oleh Sir William Crockes pada tahun 1879 yang berhasil mengatakan bahwa sinar katoda yaitu berkas sinar bermuatan negatif yang oleh Thomson disebut sebagai elektron.
Pengukuran nilai muatan elektron (e) sanggup diketahui sehabis percobaan yang dilakukan oleh J.J Thomson, yaitu dengan memakai peralatan sinar katoda. Harga e sanggup didekati dengan harga perbandingan e/m yang diperoleh dari kekerabatan antara nilai arus (I), tegangan elektroda (V), dan radius lintasan elektron (r). Hubungan antar ketiganya sanggup diketahui dari sifat-sifat coil Helmholtz yang menimbulkan adanya gaya sentripetal yang menciptakan lintasan elektron berbentuk bulat dari gaya linier yang timbul akhir perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda(Zemansky,1986).
Berdasarkan percobaan yang pernah dilakukan oleh Thomson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk menerangkan 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, melaksanakan percobaan untuk meyakinkan bahwa sinar katoda yaitu pancaran berkas partikel bermuatan negatif. Dalam percobaan ini, Thomson melewatkan sinar katoda dari katoda K melalui celah sempit pada anoda A, menyerupai 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 risikonya membentur permukaan dalam tabung Geissler yang dilapisi dengan materi fluorens berskala. Ketika kekerabatan 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 mengatakan 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 menimbulkan pembelokan sinar katoda yang sama besar tetapi berlawanan arah dari yang diakibatkan oleh medan magnet antara x dan x’. Susunan ini memberi akhir bahwa sinar katoda yang terpancar dari plat x akan merambat ke plat x’ berdasarkan suatu garis lurus. Dengan mengukur besar medan listrik dan magnet ini, Thomson berhasil memilih 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 dikala itu(Wospakrik,2005).
Prinsip kerja dari percobaan nisbah e/m J.J. Thomson yaitu dengan memanfaatkan penembak elektron untuk menembakkan elektron ke dalam tabung vakum. Kemudian lintasan dari elektron tersebut yang sebelumnya merupakan garis lurus, lintasan berkembang menjadi bulat akhir medan magnet yang ditimbulkan oleh kumparan Helmholtz yang diberikan berpengaruh arus listrik. Diameter berkas lintasan elektron (lingkaran) inilah yang akan diukur memakai penggaris yang kemudian ditentukan jari-jarinya. Lalu nisbah e/m dari elektron tersebut sanggup ditentukan(Supriyadi,2000).
Cara kerja tabung sinar katoda pertama bergantung pada fenomena emisi termionik, yang ditemukan oleh Thomson Edison pada dikala 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) hingga panas dan berpijar, ternyata muatan negatif meninggalkan katoda dan mengalir ke anoda positif. Muatan-muatan negatif ini kini disebut elektron, tetapi pada awalnya disebut sinar katoda lantaran kelihatannya tiba 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 akhir pemanasan dinamakan emisi termionik. Energi minimun yang diperlukan 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 sanggup dicari dari patensial ambang (pada dikala 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 mengatakan 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 dikala itu disebut potensial penghenti. Sebuah elektron bermassa m dan bermuatan c yang dipercepat dengan beda potensial V akan mempunyai energi kinetik sebesar :
Ek = eV ..........(1)
Jika kecepatan elektron v, maka energi kinetik sanggup dinyatakan sebagai(Sears,1986) :
eV = 1/2.m.v2 ..........(2)
Jika partikel bermuatan (elektron) bergerak dengan kecepatan v di kawasan dengan berpengaruh medan B, maka partikel tersebut akan mengalami pembelokan yang diakibatkan oleh timbulnya gaya magnetik (Fm). Jika muatan elektron yaitu e dan kecepatan yaitu 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 mempunyai 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, lantaran 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 lantaran bentuk lintasan dari gaya elektromagnetik berbentuk lingkaran. Sehingga pada dikala memasuki kawasan 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 dipakai pada percobaan ini yaitu 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 menciptakan elektron bergerak dalam lintasan garis lurus, kemudian lintasan berkembang menjadi berbentuk bulat akhir diberi medan magnet, sehingga sanggup diukur jari-jari lintasan melingkar elektronnya, serta dengan memakai banyak sekali persamaan terkait akhir gaya sentripetal sama dengan gaya medan magnet, nilai perbandingan antara muatan elektron dengan massa elektron (e/m) sanggup 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 menyerupai berbentuk bulat dengan jari-jari tertentu sebagai lintasan elektron yang dilalui (gaya medan magnet = gaya sentripetal). Sinar katoda tidak sanggup dilihat dengan mata, oleh lantaran itu dipakai suatu zat pada ruang vakum di dalam tabung kaca, yaitu zat Helium sehingga sanggup terbentuk sebuah sinar pendaran berwarna kebiru-biruan. Warna sinar kebiruan ini sanggup terlihat akhir 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 sentra digunakan untuk variabel bebas pada grafik (karena I yang divariasi) dan variabel terikatnya yaitu kuadrat jari-jari lintasan elektron. Berikut ini yaitu gambar grafiknya :
Banyaknya kumparan Helmholtz pada percobaan ini yaitu 154 dengan jari-jari kumparannya sebesar 0,2 m. V konstan pada percobaan pertama ini yaitu sebesar 140,2 volt dan variasi medan magnet akhir variasi I. Dari grafik kekerabatan antara r2 dengan 1/B2 di atas didapatkan gradiennya sebesar 1,1327.10-12. Hasil dari gradien ini kemudian dipakai untuk memilih 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 dipakai 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 yaitu nilai yang divariasikan, maka dari itu nilai V (tegangan) menjadi variable bebasnya dan variabel terikatnya yaitu kuadrat jari-jari lintasan elektron. Berikut ini adalah gambar grafiknya :
Medan magnet pada percobaan kedua ini yaitu sebesar 9,671.10-4 T. Dari grafik kekerabatan 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 dipakai 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 yaitu 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 mengatakan bahwa percobaan yang dilakukan ini cukup akurat. Perbedaan kecil nilai e/m pada percobaan dengan literatur disebabkan oleh kesalahan-kesalahan yang dilakukan selama percobaan menyerupai 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 efek medan magnet yaitu 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 dikala V konstan yaitu sebesar 2,47.1010 C/kg dengan ketelitian sebesar 80,5% sedangkan dikala 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 dikala V konstan yaitu sebesar 2,47.1010 C/kg dengan ketelitian sebesar 80,5% sedangkan dikala 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
Belum ada Komentar untuk "Laporan Praktikum Nisbah E/M"
Posting Komentar