PENENTUAN e/m Kusnanto Mukti W/ M0209031 Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Sebelas Maret Surakarta ABSTRAK Eksperimen dalam menentukan besar muatan elektron pertama kali dilakukan oleh J.J.Thomson. Dalam percobaanya, Thomson menggunakan tabung sinar katoda yang dilengkapi listrik dan medan magnet serta mempercepat sinar katoda melalui tegangan tinggi yang kemudian dikendalikan dengan medan magnet yang dihsilkan oleh sepasang koil Helmholtz. Eksperimen ini didasarkan pada eksperimen Thomson tersebut, yaitu hubungan perbandingan e dan m dapat diperoleh dengan mengukur jari-jari sinar r pada setiap nilai arus I dengan beberapa nilai Tegangan V. Nilai e/m diperoleh dari hubungan kesetimbangan gaya antara gaya magnet dan gaya sentripetal elektron yang disebabkan adanya medan magnet. Dari data yang diperoleh pada eksperimen tersebut, didapati bahwa nilai radius berbanding terbalik dengan nilai penambahan arus listrik pada elektron gun dan berbanding lurus dengan nilai tegangan pada coil Helmhoztz. Kata Kunci: Sinar Katoda, Radius Elektron. Latar Belakang Tabung sinar katoda adalah tabung hampa udara yang dibuat dengan memanfaatkan teknik pevakuman Geisler yang dapat memancarkan elektron dalam bentuk sinar katoda ketika saklar dihubungkan.Percobaan ini 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 dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thomson, yaitu dengan menggunakan peralatan tabung sinar katoda yang dilengkapi dengan Medan listrik dan Medan magnet. 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 sifatsifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat elektron berbentu lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan I.
anoda. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh Thomson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali hubunganhubungan tersebut. Percobaan mengenai sinar katoda adalah salah satu eksperimen untuk mengetahui kaakteristik dari elektron yang merupakan partikel sub-atomik yang fundamental dalam terbentuknya arus listrik. Sehingga eksperimen ini penting dilakukan mengingat wilayah aplikasi kelistrikan yang sangat luas. TINJAUAN PUSTAKA Pada tahun 1891, George Johnstone Stoney menyatakan bahwa sinar katoda terbentuk dari hamburan elektron.Sinar katoda tidak tampak hanya melalui pengaruh fluoresensi dari statu bahan sinar ini dapat dilacak. Sinar katoda merupakan berkas distribusi elektron yang terbentuk didalam tabung sinar katoda. Gambar diatas adalah diagram skematis bagian-bagian sebuah tabung sinar katoda (pembelokan sinar katoda dalam medan listrik). Tabung sinar katoda ini memiliki ruang yang didalam tabungnya sangat vakum. II.
Gambar 1: Pembelokan sinar katoda dalam medan listrik Sumber gambar: Fundametal Concepts of Chemistry) Keterangan gambar; menggambarkangerak partikel di dalam 1. Jika hanya ada medan listrik, sebuah siklotron (alat pemercepat partikel) berkas sinar katoda di belokkan ke (Wiyanto, 2008). Dalam hal ini, J.J. atas (titik 1) Thomson seorang ahli fΓsika yang 2. Jika hanya ada medan magnet, berasaldari Inggris pada tahun 1897 berkas sianr katoda di belokkan ke melakukan percobaan yangbertujuan untuk atas (titik 2) mencari perbandingan antara besarnya 3. Jika tidak ada medan listrik dan muatan suatu partikel (misalnya elektrΓ³n medan magnet, sinar katoda e) dengan massa partikel itu. Thomson bergerak lurus (titik 3) mengamati bahwa penyimpangan partikel di dalam tabung yang dilengkapi dengan Katoda sebelah kiri sangat ditinggikan listrik dan medan magnet yang arahnya temperaturnya dengan alat pemanas, dan tegak lurus. ElektrΓ³n dilepaskan dari electron-elektronnya menguap dari filamen katoda K, sehingga bergerak permukaannya. Penguapan elektrΓ³n ini menuju anoda yang potensialnya lebih disebut sinar katoda. Sinar-sinar katoda tiggi daripada K. Pancaran elektroda dari dipercepat melalui tegangan tinggi yang K menuju A ini juga disebut sinar katoda. dikendalikan dengan medan magnet yang (Tobing, 1986 ) dibangkitkan oleh sepasang koil.(Sears Dalam percobaan sinar katoda Zemansky, 1986) tersebut terdapat dua gaya yang bekerja Jika partikel bermuatan (elektron) jika yaitu gaya elektromagnetik dan gaya bergerak dengan kecepatan v di daerah sentripetal.Gaya sentripetal ini muncul dengan kuat medan B, maka pertikel diakibatkan karena bentuk lintasan dari tersebut akan mengalami pembelokkan gaya elektromagnetik berbentuk lingkaran. yang diakibatkan oleh timbulnya gaya Sehingga pada saat memesuki daerah magnetik (Fm). Jika muatan elektron medan magnetik akan terjadi adalah e dan kecepatannya v, maka kesetimbangan gaya yaitu antara gaya elektron akan mengalami gaya magnetik magnetik dan gaya sentripetal yang yang besarnya : diuraikan sebagai berikut : mv 2 Fm = Fs Fm = evx B Fs = π
Dimana: Maka:
Fm = Fs mv 2 evB = π
Persamaan diatas disebut siklotron, karena persamaan
evB = m π π
formula tersebut
π£
π£2 π
= π΅π
v=
ππ΅π π
Dimana
eV =
1 2
m v2
Maka
1
ππ΅π 2 π π (π΅π)2
eV = 2m V =
2π
π π
2π£
= (π΅π )2
; maka
Gambar 2: Pembelokan sinar katoda dalam medan magnet (Sumber gambar: Ilmu Kimia Untuk Universitas, Jilid 1) Formula dari nilai kecepatan elektron tersebut dapat diperoleh karena berkas elektron di peroleh dengan menggunakan elektron gun dan di percepat melalui beda potensial (V), sehingga akan menghasilkan energi potensial elektron (eV) yang seluruhnya diubah menjadi 1 energi kinetik elektron sebesar (2 m v2) ketika elektron tersebut mencapai ujung yang lain. III. METODE PENELITIAN 3.1 Alat dan Bahan Peralatan yang digunakan dalam eksperimen sinar katoda sebagai berikut: 1. Seperangkat tabung sinar katoda/tabung Thomson(yang terdiri dari : koil helmhozt, pengatur tegangan dan arus listrik, elektron gun, dan sebagainya yang berfungi sebagai objek tempat pengamatan dan pengaturan sistem percobaan) 2. High voltage DC power supply (3kV β 6kV): Sebagai Sumber tegangan masukan pada elektroda yang memicu pergerakan linear elektron
3. Low voltage AC/DC power supply (0V β 400V): Sebagai Sumber tegangan masukan pada coil helmholtz yang memicu medan magnet B yang menyebabkan pergerakan melingkar elektron 4. Sumber arus yang dapat bervariabel 0A β 2 A 5. Digital amperemeter: Alat untuk mengukur nilai arus 6. Kabel penghubung: Untuk menghubungkan arus listrik dari satu komponen ke komponen yang lain IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Langkah pertama yang dilakukan dalam percobaan ini adalah merangkai alat utama yang berupa tabung sinar katoda dengan kumparan helmhotz, yang dilengkapi dengan dua buah catu daya, serta sebuah multimeter. Dua buah catu daya digunakan untuk memberi tegangan pemercepat bagi elektron, dan tegangan pemanas bagi filamen. Pada percobaan ini dilakukan 2 kali percobaan, yaitu dengan variasi arus (I) konstan dan V pemercepat konstan. Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan nilai tegangan pemercepat
dan kuat arus yang secara langsung mempengaruhi nilai medan magnet. Setiap vaiasi pengukuran diperoleh data tentang jarak AG yang nantinya untuk mencari nilai r, yang merupakan ukuran radiasi dari lintasan elektron yang berupa lingkaran. Percobaan pertama yaitu memvariasi arus dari 0.1A hingga AG mencapai jarak maksimal dengan kenaikan 0.1A, dimana nilai tegangannya tetap yaitu 3kV. Sedangkan percobaan selanjutnya yaitu memvariasi tegangan dari 3kV hingga 5kV dengan kenaikan 0.3kV, dimana nilai arusnya tetap yaitu 0.7A.
Gambar 3: Lintasan elektron. Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa sinar yang datang dari katoda berbelok, tidak lurus kedepan. Pembelokan sinar ini karena adanya medan listrik negative, maka akan dibelokan (berkas sinar katoda ini tertolak oleh medan negatif). berdasarkan hal ini maka Thomson menyatakan bahwa berkas sinar katoda itu adalah partikel-partikel yang bermuatan negatif yang ia sebut sebagai βcorpuscleβ. Corpuscle yang ditemukan oleh Thomson ini kemudian disebut sebagai βelectronβ oleh G. Johnstone Stoney Dari gambar di atas jari-jari lintasan elektron dapat dicari dengan rumus: 6400 π΄πΊ r = 2 π΄πΊ + 2 β 80 = mm
Dari percobaan diperoleh data sebagai berikut: ο· Percobaan I dengan Vp = 3kV I (A) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
ο·
AG (m) 0.020 0.028 0.034 0.046 0.054 0.064 0.068 0.078
Percobaan II dengan I = 0,7 A
AG (m) 0.072 0.070 0.068 0.065 0.063 0.061 0.059
Vp (volt) 3000 3300 3600 3900 4200 4500 4800
Dari data eksperimen di atas maka didapatkan grafik: ο· Percobaan I Vp = konstan = 3000V 2π 1 r2 = πΌ B 2 Dimana y = r2 2π m= πΌ 1
x = B2 Dari percobaan I diperoleh 1 hubungan antara r2vs B 2 : y = 0.000000021x + 0.007280679 maka m = 0.000000021 2π m= πΌ Ξ±=
2π π π
=
6000
0.000000021
Ξ± = π = 2.86E+12
grafik
= 2.86E+12
ο· Percobaan II B = konstan B~I I = 0.7 A 2 r2 = πΌ π΅ 2 V Dimana y = r2 2 m = πΌ π΅2 x=V
Dari percobaan II diperoleh hubungan antara r2 vs V y = 0.0000015x - 0.0006789
grafik
maka m = 0.0000015 2 m = πΌ π΅2
II.
2
Ξ± = π π΅2 dimanaB = kI B = 0.00417 x 0,7 = 0.002919 B2 = 0.0000085206 2 Ξ± = 0.0000015 π₯0.0000085206 = 1.56E+11 π Ξ± = π = 1.56E+11 Dari perhitungan grafik diatas diperoleh π nilai π π
1. Untuk V konstan π = 2.86E+12 π
2. Untuk B konstan π = 1.56E+11 π
Sedangkan nilai dari literatur yang ada π yaitu 1.76E+08 c/g. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa untuk nilai V konstan, semakin besar arus listrik, maka AG makin besar pula yang tapi nilai radius (r) semakin kecil.Untuk B konstan atau I konstan, semakin besar tegangan listrik V, maka AG semakin kecil yang berarti bahwa nilai radius (r) semakin besar. V. KESIMPULAN Dari hasil eksperimen dapat disimpulkan bahwa: I. Nilai beda tegangan elektroda pemercepat (V) berbanding lurus
III.
VI.
dengan jari-jarilintasan berkas elektrΓ³n (r) untuk setiap nilai arus (I), yaitu semakin besarnilai tegangan maka radiuspun semakin besar pula Nilai arus lisrik pada coil Helmholzt (I) berbanding terbalik dengan jari-jarilintasan berkas elektrΓ³n (r), dimana semakin besar nilai arus listrik yang diberikan, nilai radius menjadi kecil. Perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan ekuivalen atau mendekati harga e/m acuan yang pernah dilakukan oleh J.J.Thomson. DAFTAR PUSTAKA KKeenan; Kleinfelter; Wood, 1989.Ilmu Kimia Untuk Universitas, Jilid 1.Jakarta: Erlangga. Musbach, Musaddiq,1996.Fisika Listrik Magnet dan Optik.Jakarta: Pusat Pembinaan dan Pengembangan Bahasa Departemen Pendidikan dan Kebudayaan. Tobing, D. L.,1986. Teori Medan.jakarta : Penerbit Karunika Jakarta Universitas Terbuka. Wiyanto, 2008.Elektromagnetika.Yogya karta : Graha Ilmu. Zemansky, Sears, 1986. Fisika Untuk Universitas 2 βListrik Magnetβ. Bandung: Bina cipta.
LAMPIRAN
VII.
Percobaan I: Vp konstan = 3000V I (A) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
AG (mm) 20 28 34 46 54 64 68 78
r2
r (mm) 353.553 229.911 177.109 116.150 92.657 73.539 68.049 58.055
r (m) 0.354 0.230 0.177 0.116 0.093 0.074 0.068 0.058
r^2 0.1250 0.0529 0.0314 0.0135 0.0086 0.0054 0.0046 0.0034
B = k.I 0.00042 0.00083 0.00125 0.00167 0.00209 0.00250 0.00292 0.00334
B^2 1.739E-07 6.956E-07 1.565E-06 2.782E-06 4.347E-06 6.260E-06 8.521E-06 1.113E-05
Grafik r2 vs 1/B2
0.1400 0.1200 0.1000 0.0800 y = 0.000000021x + 0.007280679
0.0600 0.0400 0.0200
1 π΅2
0.0000 0.000E+00
2.000E+06
4.000E+06
6.000E+06
8.000E+06
1/B^2 5.751E+06 1.438E+06 6.390E+05 3.594E+05 2.300E+05 1.597E+05 1.174E+05 8.986E+04 jumlah rata2
e/m 4.313E+09 4.560E+08 1.203E+08 2.909E+07 1.185E+07 5.183E+06 3.261E+06 1.817E+06 4.941E+09 6.176E+08
Percobaan II: B konstan (B ~ I) maka I konstan, I= 0.7 A AG (mm) 72 70 68 65 63 61 59
Vp (volt) 3000 3300 3600 3900 4200 4500 4800
r (mm) 63.482 65.660 68.049 72.070 75.077 78.373 81.988
r (m) 0.063 0.066 0.068 0.072 0.075 0.078 0.082
r^2 0.004 0.004 0.005 0.005 0.006 0.006 0.007 jumlah rata2
e/m 1.75E+11 1.80E+11 1.82E+11 1.76E+11 1.75E+11 1.72E+11 1.68E+11 1.23E+12 1.75E+11
grafik r2 vs V
r2 0.008 0.007
y = 0.0000015x - 0.0006789
0.006 0.005 0.004 0.003 0.002 0.001 0.000
2500
V 3000
3500
4000
4500
5000
