JURNAL PRAKTIKUM FISIKA MODERN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
1
Tetes Minyak Milikan Nur Lailiyah Isnaini, Devi Eka Septiani, Yovanita Narsisca Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nop ember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] Abstrak — Telah Telah
dilakukan percobaan yang berjudul tetes minyak Milikan. Percobaan tersebut bertujuan untuk menentukan jari-jari tetesan minyak dan untuk menentukan banyaknya muatan pada setiap butiran minyak. Peralatan yang digunakan dalam percobaan ini meliputi milikan oil apparatus, sprayer, minyak parafin, mikroskop, sumber cahaya (lampu), dan stopwatch. Prinsip dari percobaan ini yaitu berdasarkan 4 gaya, yang terdiri dari gaya listrik, gaya Archimedes, gaya berat, dan gaya Stokes. Pertama sumber cahaya diatur agar butiran minyak dalam ruang pengamatan dapat terlihat oleh mikroskop. Kemudian tegangan input yang digunakan diatur. Setelah itu minyak disemprotkan ke dalam ruang penyemprotan. Kemudian butiran minyak yang akan diamati ditentukan dan dicatat waktu yang dibutuhkan butiran minyak untuk naik dari garis batas bawah sampai garis batas atas. Lalu switch pembalik diputar ke arah atas untuk mengatur medan listrik. Kemudian dicatat waktu yang dibutuhkan butiran minyak dari garis batas atas sampai ke garis batas bawah. Variasi tegangan yang digunakan adalah 200 volt dan 300 volt. Pengamatan gerak butiran minyak diulangi sebanyak 7 kali untuk naik dan 7 kali untuk turun pada masing-masing variasi tegangan. Berdasarkan percobaan yang dilakukan, didapatkan nilai rata-rata dari besarnya jari-jari tetesan minyak pada setiap variasi tegangan 200 volt dan 300 volt -6 -6 berturut-turut yaitu sebesar 1,39.10 m dan 1,49.10 m. Serta nilai rata-rata dari banyaknya muatan pada setiap butiran minyak dengan variasi tegangan 200 volt dan 300 volt berturut-turut yaitu sebesar 31.65 dan 30.31. Kata Kunci — Medan Medan
listrik, muatan butiran minyak,
tetes minyak Milikan.
I. PENDAHULUAN
R
obert A. Milikan (1869-1953) melakukan percobaan dengan meneteskan minyak melalui dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diukur sehingga gaya elektrolistrik mampu membuat tetes minyak berhenti. Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami percepatan ke bawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya Stokes. Sehingga akan terjadi keseimbangan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya listrik di antara dua plat konduktor tersebut. Eksperimen tetes minyak Milikan merupakan eksperimen dalam menentukan muatan suatu elektron (e) dan bilangan Avogadro (N) berdasarkan persamaan
Faraday dengan mengetahui sifat diskrit dari muatan elektron. Pada tahun 1909, Robert A. Milikan melakukan percobaan dengan meneteskan meneteskan minyak melalui dua plat logam dengan beda potensial yang dapat diukur sehingga gaya elektrolistrik mampu membuat tetes minyak berhenti (gambar 1.1). Pada eksperimen tersebut, jatuhan minyak akan mengalami percepatan ke bawah yang disebabkan oleh gaya gravitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya Stokes. Sehingga akan terjadi keseimbangan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya lsistrik di antara dua plat konduktor tersebut. Butiran minyak tersebut juga dipengaruhi oleh gaya Archimedes [5].
Gambar 1.1 Skema percobaan Milikan oil-drop.
Kasus Pertama Gaya-gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut dapat dituliskan : Gaya gravitasi, gaya yang dialami oleh tetes minyak Fg = moil . g (1) Gaya gesek, gaya yang melawan gaya gravitasi, dalam hal ini sama dengan gaya Stokes Fr = 6πrηV1 (2) Gaya Archimedes, gaya dengan arah ke atas FA= mL . g (3) Dengan moil, mL, η, V 1 masing-masing massa tetes minyak, massa udara dengan volum sama dengan tetesan minyak, viskositas minyak, jari-jari tetes minyak dari kecepatan gerak tetes minyak ke bawah. Sehingga resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak dapat ditulis: moil . g - mL . g - 6πrηV1 = 0 (4)
JURNAL PRAKTIKUM FISIKA MODERN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
Bila moil - mL = m, maka persamaan di atas dapat ditulis menjadi: m . g - 6πrηV1 = 0 (5) Dengan m.g merupakan berat tetes minyak setelah dikurangioleh gaya Archimedes. Bila ρ oil – ρL – ρ, dengan ρoil dan ρL adalah rapat jenis tetes minyak dan rapat massa udara, maka dengan mengganti m = ρV =
πr ρ akan diperoleh resultan gaya tetes minyak πr ρg - 6πrηV = 0 atau r = 3
[1]
3
(6)
1
(7)
Kasus Kedua Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian sehingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan V 2. Bila tegangan antar plat U dan jarak antar kedua plat adalah d, maka E = U/d dan gaya yang bekerja pada pada tetes minyak tersebut adalah: adalah: q . E – E – m m . g - 6πrηV2 = 0 atau
(8) untuk tetes minyak yang melayang di antara plat sejajar q . - πr 3ρg - 6πrηV2 = 0
karena pengaruh medan listrik E, maka persamaan (8) menjadi:
atas terlihat
q . - πr 3ρg = 0 0
(9)
dari penjelasan di bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat digunakan untuk menentukan muatan elektron elementer: 1. Mengukur kecepatan jatuh bebas V 1 sevelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan U sehingga tetes minyak diam di antara dua plat sejajar. Formulasi metode ini dapat dilakukan dengan substitusi persamaan (7) dan persamaan (9), sehingga diperoleh: q=
π η
2 II. METODE
Langkah pertama dalam percobaan ini yaitu menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan, yang meliputi Milikan oil apparatus, sprayer, minyak parafin, mikroskop, sumber cahaya, dan stopwatch yang dapat dilihat pada gambar (2.1). Masing-masing alat di atas, memiliki fungsi yang berbeda-beda. Untuk Milikan oil apparatus yang berperan penting sebagai alat fundamental dalam percobaan ini yang berfungsi sebagai tempat melekatnya ruang penyemprotan hampa udara serta tempat melekatnya mikroskop serta sumber cahaya. Sedangkan sprayer berfungsi sebagai alat penyemprot minyak parafin ke dalam ruang penyemprotan hampa udara. Minyak parafin berfungsi sebagai objek yang akan diamati jari-jari tetes minyaknya serta muatan pada tiap butiran minyaknya. Untuk mikroskop berfungsi sebagai pembesar suatu objek agar lebih terlihat besar dan mudah diamati. Lalu, sumber cahaya berfungsi sebagai sumber penerang pada butiran minyak yang akan diamatai. Dan stopwatch berfungsi sebagai penghitung waktu untuk perpindahan setiap butiran minyak dari bawah ke atas dan dari atas ke bawah. Langkah selanjutnya yaitu sumber cahaya diatur agar butiran minyak yang diamati dapat terlihat. Kemudian, tegangan input diatur dengan menggunakan variasi yang telah ditentukan. Setelah itu, minyak parafin dimasukkan ke dalam ruang penyemprotan dengan menggunakan sprayer. Lalu, dicari dan diamati butiran minyak yang akan dijadikan sebagai objek pengamatan dengan menggunakan mikroskop. Kemudian dicatat waktu tempuh butiran minyak dari garis batas atas ke garis batas bawah. bawah.
(10)
Dengan karakteristik alat dan bahan sebagai berikut: -5 2 -3 3 η = 1,81.10 N/m s, d = 6.10 m, ρoil = 875,3 kg/m , 3 ρL = 1,29 kg/m , sehingga persamaan (10) dapat dituliskan menjadi:
q = 2.10 A.s (11) 2. Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak dalam ruang -10
bebas medan listrik V 1 dan kecepatan naik V 2 pada tegangan tertentu U [1].
(̅ ̅ √ ) q=
)
(12)
(13)
Gambar 2.1 Rangkaian percobaan tetes minyak Milikan
Kemudian, untuk keadaan kedua switch pembalik diputar ke arah atas untuk mengatur medan listrik. Kemudian dicatat waktu tempuh butiran minyak dari garis batas bawah ke garis batas atas. Variasi tegangan yang digunakan adalah 200 volt dan 300 volt. Kemudian percobaan dilakukan sebanyak 7 kali ketika butiran minyak turun dan 7 kali ketika butiran minyak naik untuk masing-masing variasi tegangan.
JURNAL PRAKTIKUM FISIKA MODERN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5
Dari data yang diperoleh dapat ditentukan kecepatan turun (jatuh) butiran minyak, kecepatan naik butiran minyak, besar jari-jari butiran minyak, dan banyaknya muatan pada setiap butiran minyak. Dari langkah kerja percobaan tetes minyak Milikan ini, dapat dibuat flowchart (gambar 2.2) sebagai berikut :
minyak untuk bergerak dari bawah ke atas serta dari atas ke bawah dengan menggunakan variasi tegangan sebesar 300 volt (tabel 3.2), yaitu sebagai berikut : Tabel 3.1 Data waktu t empuh yang diperlukan sebuah butiran minyak pada saat naik dan turun dengan variasi tegangan 200 V.
tnaik (gravitasi) (sekon)
tturun (E) (sekon)
1
2.2
1.82
2
2.7
2.31
3
3.3
2.01
2.5
2.3
5
2.2
1.82
6
2.4
2.38
7
2.2
1.82
No Start
Disiapkan alat dan bahan
4 Diatur sumber cahaya
Diatur tegangan input
Minyak parafin dimasukkan
Dicari dan ditetapkan butiran minyak sebagai objek
Diatur medan listrik
Posisi switch dikembalikan
Diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak (atas ke bawah)
Ganti tegangan Tegangan sudah dipakai semua?
Finish Gambar 2.2 Flowchart percobaan tetes minyak Milikan
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan, maka didapatkan data mengenai waktu tempuh yang diperlukan sebuah butiran minyak untuk bergerak dari bawah ke atas serta dari atas ke bawah dengan menggunakan variasi tegangan sebesar 200 volt (tabel 3.1) dan waktu tempuh yang diperlukan sebuah butiran
V
200
Tabel 3.2 Data waktu t empuh yang diperlukan sebuah butiran minyak pada saat naik dan turun dengan variasi tegangan 300 V.
tnaik (gravitasi) (sekon)
tturun (E) (sekon)
1
2.82
2.21
2
1.4
1.6
3
2.4
1.89
2.8
1.44
5
2.3
1.32
6
1.6
1.22
7
2.3
1.6
No
4 Diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak (bawah ke atas)
3
V
300
Dari data yang telah didapatkan pada tabel 3.1 dan 3.2 tersebut, serta diketahui pula besarnya nilai referensi dari massa jenis minyak parafin, massa jenis udara, viskositas minyak parafin, serta jarak antar plat yang didapatkan dari buku referensi, maka dapat dilakukan perhitungan mengenai mengenai besarnya kecepatan kecepatan pada setiap butiran minyak parafin baik saat naik maupun turun dengan menggunakan persamaan jarak dibanding dengan waktu tempuh, di mana jarak yang digunakan yaitu sebesar 0,5 mm (0,0005 m). Dan pada saat naik, maka jarak tersebut dibagi dengan waktu tempuh pada saat naik, sedangkan pada saat turun, maka jarak tersebut dibagi dengan waktu tempuh yang diperlukan untuk turun. Selain itu, juga dapat dilakukan perhitungan mengenai besarnya jari-jari pada setiap butiran minyak dengan menggunakan variasi tegangan sebesar 200 Volt dan 300 Volt dengan menggunakan persamaan (7). Dan juga dapat ditentukan ditentukan besarnya muatan pada setiap butiran minyak dengan menggunakan menggunakan persamaan (13). Sehingga dari perhitungan kecepatan (naik dan turun) pada butiran minyak, minyak, besarnya jari-jari tetesan minyak, serta banyaknya muatan pada setiap butiran minyak dapat ditampilkan pada tabel 3.3 dengan tegangan 200 Volt dan pada tabel 3.4 dengan tegangan 300 Volt.
JURNAL PRAKTIKUM FISIKA MODERN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 Tabel 3.3 Perhitungan v gravitasi, vmedan listrik , jari-jari tetesan minyak, dan banyaknya muatan pada setiap butiran butiran minyak dengan tegangan 200 V. vnaik vturun No V r (m) q (C) n (m/s) (m/s) 1
0.000227
0.000275
1.47.10 -06
6.29.10 -18
37.2274
2
0.000185
0.000216
1.33.10 -06
4.54.10 -18
26.88575
3
0.000152
0.000249
1.2.10 -06
4.1.10 -18
24.23649
0.0002
0.000217
1.38.10 -06
4.91.10 -18
29.03658
0.000227
0.000275
1.47.10 -06
6.29.10 -18
37.2274
4
200
5
-06
-18
6
0.000208
0.00021
1.41.10
5.02.10
29.70819
7
0.000227
0.000275
1.47.10 -06
6.29.10 -18
37.2274
1.39.10 -06
5.35.10 -18
31.64989
Rata-Rata
Tabel 3.4 Perhitungan v gravitasi, vmedan listrik , jari-jari tetesan minyak, dan banyaknya muatan pada setiap butiran butiran minyak dengan tegangan 300 V. vnaik vturun No V r (m) q (C) n (m/s) (m/s) 1
0.000177
0.000226
1.3.10 -06
2.98.10 -18
17.62191
2
0.000357
0.000313
1.84.10 -06
7.01.10 -18
41.50114
3
0.000208
0.000265
1.41.10 -06
3.78.10 -18
22.38358
0.000179
0.000347
1.3.10 -06
3.89.10 -18
23.04184
5
0.000217
0.000379
1.44.10 -06
4.87.10 -18
28.82662
6
0.000313
0.00041
1.72.10 -06
7.08.10 -18
41.87551
4
7
300
0.000217 Rata-Rata
0.000313
1.44.10
-06
1.49.10
-06
-18
25.62145
-18
30.3125
4.33.10 4.85.10
Pada percobaan tetes minyak Milikan ini, terdapat alat dan bahan yang digunakan yaitu meliputi Milikan oil apparatus, sprayer, minyak parafin, mikroskop, sumber cahaya, dan stopwatch. Masing-masing alat tersebut, memiliki fungsi yang berbeda-beda. Untuk Milikan oil apparatus yang berperan penting sebagai alat fundamental dalam percobaan ini yang berfungsi sebagai tempat melekatnya ruang penyemprotan hampa udara serta tempat melekatnya mikroskop serta sumber cahaya. Sedangkan sprayer berfungsi sebagai alat penyemprot minyak parafin ke dalam ruang penyemprotan hampa udara. Min yak parafin berfungsi sebagai objek yang akan diamati jari-jari tetes minyaknya serta muatan pada tiap butiran minyaknya. Untuk mikroskop berfungsi sebagai pembesar suatu objek agar lebih terlihat besar dan mudah diamati. Lalu, sumber cahaya berfungsi sebagai sumber penerang pada butiran minyak yang akan diamatai. Dan stopwatch berfungsi sebagai penghitung waktu untuk perpindahan setiap butiran minyak dari bawah ke atas dan dari atas ke bawah. Pada saat dilakukan percobaan tetes minyak Milikan, seringkali tetes minyak yang telah diamati sebagai objek pengamatan bergerak dengan sangat cepat dan hilang begitu saja, bahkan terkadang pecah. Hal ini dikarenakan berbagai macam faktor internal dan eksternal yang memang membuat tetes minyak parafin tersebut pecah, hilang, dan bergerak dengan cepat. Selain itu, terkadang tetes minyak parafin yang memang akan diamati sebagai objek merupakan hanya tetesan minyak parafin biasa yang tak memiliki muatan. Sehingga haruslah cermat dalam menentukan tetes minyak parafin yang
4
akan diamati sebagai objek agar mendapatkan hasil yang mendekati keakuratan. Penyemprotan minyak parafin pada ruang penyemprotan yang kedap udara dilakukan agar butiran minyak parafin yang telah disemprot tidak menguap ke udara bebas yang diharapkan beberapa butir minyak parafin yang telah disemprot tersebut dapat melewati plat yang telah ada pada Milikan oil apparatus. Sehingga butiran minyak tersebut dapat diamati dengan secara jelas dengan bantuan mikroskop. Kemudian, untuk mendapatkan nilai dari electron, terlebih dahulu diamati salah satu tetes minyak yang dijadikan sebagai objek pengamatan yang kemudian dihitung waktu tempuhnya untuk bergerak dari atas ke bawah dengan menggunakan stopwatch. Tetapi yang terlihat justru berkebalikan, karena sifat mikroskop yaitu nyata, terbalik, dan diperbesar. Sehingga kecepatan gravitasi yang dihitung waktu tempuhnya yang seharusnya bergerak ke bawah menjadi bergerak ke atas. Kemudian, setelah menyentuh garis atas, dinyalakan medan magnet. Karena adanya pengaruh medan magnet pada butiran minyak parafin, maka butiran minyak akan bergerak pada garis yang berada di bawahnya, dan dicatat pula waktu tempuhnya. Maka, akan didapatkan nilai t (waktu) nya. Percobaan ini dilakukan dengan menggunakan variasi tegangan sebesar 200 Volt dan 300 Volt. Berdasarkan data yang didapatkan pada tabel 3.1 dan 3.2 diketahui bahwa waktu yang dibutuhkan untuk naik lebih besar daripada waktu yang diperlukan untuk turun. Atau dengan kata lain, waktu yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi lebih besar dari waktu yang dipengaruhi oleh medan listrik. Hal ini dikarenakan, adanya gaya-gaya listrik yang mempengaruhi pergerakan butiran minyak. Semakin besar gaya listrik yang diberikan, maka semakin besar pula pergerakan butiran minyak yang terjadi. Sehingga waktu tempuh yang diperlukan untuk bergerak semakin sedikit pula. Lain halnya dengan butiran minyak yang dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Hanya gaya gravitasi saja yang mempengaruhi butiran minyak ini. Sehingga waktu tempuh yang diperlukan untuk melakukan pergerakan semakin banyak atau lama. Dari tabel perhitungan 3.3 dan 3.4, dapat diketahui bahwa pada saat diberi tegangan 200 Volt, jari-jari (r) ( r) butiran minyak parafin sebesar 1,39.10 -06 , muatan (q) yang dihasilkan sebesar -18 5,35.10 C, dan banyaknya muatan (n) yang dihasilkan sebesar 31,65. Sedangkan, pada saat diberi tegangan 300 Volt, -06 jari-jari (r) butiran minyak parafin sebesar 1,49.10 , muatan -18 (q) yang dihasilkan sebesar 4,85.10 C, dan banyaknya muatan (n) yang dihasilkan sebesar 30,31. Dari hasil perhitungan tersebut, dapat diketahui bahwa semakin besar tegangan yang diberikan, maka akan semakin besar pula jari jari (r) pada butiran minyak yang dihasilkan. Akan tetapi, nilai muatan (q) dan banyaknya muatan (n) pada butiran minyak semakin kecil jika tegangan yang diberikan semakin besar. Hal tersebut, berkebalikan dengan teori sebenarnya. Hal ini dikarenakan berbagai macam faktor, antara lain ketidaktepatan dalam mematikan stopwatch saat butiran minyak telah berada pada garis atas atau bawah, penyemprotan minyak parafin yang tidak teratur sehingga menyebabkan butiran minyak parafin sulit ditemukan dan ditentukan, pemberian medan listrik yang terlambat pada saat butiran minyak telah mencapai garis atas, serta mikroskop yang mudah goyang sehingga pengamatan yang sudah fokus diatur ulang kembali.
JURNAL PRAKTIKUM FISIKA MODERN Vol. 1, No. 1, (2013) 1-5 IV. KESIMPULAN
Dari percobaan yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan bahwa nilai rata-rata dari besarnya jari-jari tetesan minyak pada setiap variasi tegangan tegangan 200 volt dan 300 volt berturut-turut yaitu sebesar 1,39.10-6 m dan 1,49.10-6 m. Serta nilai rata-rata dari banyaknya muatan pada setiap butiran minyak dengan variasi tegangan 200 volt dan 300 volt berturut-turut yaitu sebesar 31,65 dan 30,31. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten, rekanrekan praktikum dan semua pihak terkait praktikum Tetes Minyak Milikan dalam melakukan percobaan dan penyelesaian laporan ini. DAFTAR PUSTAKA DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] [4] [5]
Alonso, Marcelo. 1994. 1994 . “Dasar-Dasar Fisika Universitas”. Universitas”. Er langga, langga, Jakarta. Batchelor, GK. 2000. 2000 . “ An Introduction to Fluid Dynamics ”. Cambridge University Press, New York. Beiser, Arthur. 1982 . “Konsep “Konsep Fisika Modern”. Modern ”. Erlangga, Jakarta. Giancoli, Douglas C. 2001. 2001 . “Fisika “Fisika II”. II”. Erlangga, Jakarta. Wehr, M Russel. 1902. 1902 . “ Physics of The Atom”. Atom”. Addison Wesley Publishing Company Inc, Canada.
5
