PENENTUAN MUATAN ELEMENTER ELEKTRON DENGAN
PERCOBAAN TETES MINYAK MILIKAN
Abstrak. Telah dilakukan eksperimen Penentuan Muatan Elementer
Elektron dengan Percobaan Tetes Minyak Milikan. Eksperimen ini bertujuan menentukan besar muatan elementer
partikel elektron. Penentuan
besar muatan elementer partikel elektron dilakukan dengan metode jatuh naik, yaitu menghitung
waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak ke atas akibat adanya
gaya elektrostatik dan ke bawah akibat gaya berat yang dimiliki tetesan.
Berdasarkan hasil analisis data eksperimen diperoleh nilai muatan tetesan yang
diamati berfariasi yaitu sebesar
(dua elektron);
(satu elektron);
(satu elektron);
(dua elektron); dan
(satu elektron), dengan tingkat kepercayaan
sebesar . Berdasarkan plot tabel distribusi frekuensi diperoleh
nilai muatan elementer elektron ( e )
sebesar
, yang menunjukkan kesesuaiaan
rentang dengan nilai muatan elementer elektron secara referensi yaitu
sebesar 1,6022 x 10-19 C dengan
kesalahan relatif sebesar 80% dan derajat kepercayaan sebesar 20%.
KATA KUNCI: Tetes Minyak Milikan,
Muatan Tetesan, Muatan Elementer Elektron.
PENDAHULUAN
Pengukuran muatan elementer telah diupayakan oleh J.J
Thompson sejak berhasil menemukan nilai e/m untuk elektron. Dalam eksperimennya
Thompson menggunakan “kamar kabut”, tetapi Thompson gagal. Dia tiak dapat
menentukan jejak-jejak tetes air bermuatan seperti yang diharapkan untuk dapat
menentukan muatan elementer.
Metode Thompson kemudian diperbaiki oleh H.A. Wilson
dengan cara melakukan dua jenis kecepatan yaitu kecepatan ke bawah akibat berat
tetesan, dan kecepatan ke atas akibat pengaruh medan listrik. Dari kedua pengukuran
kecepatan ini, Wilson menetukan massa dan muatan tetesan dengan cra mengamati
puncak kabut tetesan yang tajam. Wilson menemukan bahwa dengan adanya medan
listrik,terdapat dua bahkan tiga puncak kabut yang bergerak dengan kecepatan
bervariasi. Ini berarti terdapat tetesan yang mengandung satu, dua, dan lebih
muatan elementer.
Dalam masa perkembangan inilah, pada tahun 1907 Robert Andrews Milikan dan L.Begeman
memulai penelitannya pada topic yang sama. Mereka membuat perangkat yang sama
dengan kamar kabut Wilson tetapi dengan daya yang lebih tinggi sehingga
menghasilkan medan listrik yang jauh lebih besar dari sebelumnya. Medan listrik
yang besar ini sangat membantu dalam mengamati tetesan air tunggal, bukan dalam
bentuk kabut tetesan.
Pada akhir tahun 1909 sampai pertengahan 1910, Milikan
bersama Harvey Fletcher terus melanjutkan eksperimen ini. Mereka mempelajari
sebanyak satu hingga dua ribu tetesan minyak yang memiliki muatan mula-mula
antara 1 dan 150, dan mereka lakukan dengan berbagai jenis zat, seperti minyak,
raksa, dan gliserin. Dalam setiap kasus mereka temukan bahwa muatan dari sebuah
tetessan sebenarnya merupakan sebuah perkalian dari nilai muatan terkecil yang
mereka ketahui muatan tersebut berasal dari udara yang ditangkap oleh tetesan.
Muatan terkecil ini merupakan muatan elementer e.
Sekitar tahun 1910, Robert Millikan (1868-1953)
melakukan suatu eksperimen untuk menentukan ukuran dari suatu elektron. Ia
memberikan bukti yang kuat bahwa yang terkecil dari elektron adalah sama
ukurannya. Ia menerima. Hadiah Nobel untuk eksperimennya tersebut.
Eksperimennya menggunakan tetesan minyak dan diamati pada ruang pengamatan yang
dipengaruhi oleh medan listrik homogen dari suatu pelat kapasitor.
Pada percobaan kali ini, yang akan ditentukan adalah
nilai muatan elementer e yang terdapat dalam sebuah tetesan minyak milikan dengan menggunakan perangkat eksperimen milikan oil drop. Nilai
fundamental e yang diterima sekarang adalah e = 1,60217653(14) x 10-19 C Angka
di dalam kurung menunjukkan ketidakpastian dua digit terakhir.
Tetesan minyak yang dihamburkan dalam ruang pengamatan
mengandung banyak muatan. Ruang pengamatan yang dipengaruhi oleh medan listrik
homogen dari suatu pelat kondensator akan menyebabkan muatan tersebut tertarik
ke arah pelat kondensator. Pada setiap tetesan akan menerima muatan sebesar q
yang disebabkan adanya gesekan elektrisitas.
Selain untuk menentukan nilai elementer elektron,
praktikum ini juga bertujuan untuk mengajarkan kepada praktikan sikap-sikap
ilmiah yang ditunjukkan oleh ilmuwan-ilmuwan terdahulu dalam melakukan
eksperimen, sehingga bisa menjadi teladan dan mampu diaplikasikan dalam proses
penyelidikan ini.
Metode yang digunakan untuk menentukan nilai elementer
e adalah metode jatuh naik, yaitu menghitung kecepatan tetesan minyak saat
bergerak naik dan turun. Pergerak tetesan minyak yang ke atas disebabkan oleh
adanya gaya elektrostatis, sedangkan tetesan minyak yang bergerak ke bawah
disebabkan oleh gaya gravitasi. Adapun gaya-gaya lain yang mempengaruhi gerak
tetesan minyak adalah gaya Stokes. Gaya ini berpengaruh karena tetesan minyak
bergesakan dengan udara di sekitarnya.
TEORI
Pada tahun 1910, R.A Milikan berhasil menunjukkan
kuantisasi jumlah terkecil muatan listrik dengan menggunakan minyak yang
dikenal dengan metode tetesan. Dia mengamati tetesan minyak yang dipengaruhi
medan listrik pada pelat vertikal kapasitor dengan jarak plat d, dan menentukan
muatan tetesan q dengan jari-jari tetesan r dan medan listrik E = U/d. Dalam
eksperimennya, dia menemukan bahwa muatan q sebagai kelipatan integral dari e
muatan elementer, yaitu q = n.e
Sebuah
tetesan minyak berjari-jari r0 bergerak dengan kecepatan –v1 memenuhi hukum stokes di dalam medium yang memiliki koefisien
viskositas η. Gaya yang dibutuhkan oleh tetesan minyak ketika bergerak ke atas,
Untuk
menentukan muatan q0 kita perlu mengetahui besar jari-jari tetesan r0.
Nilai ini diperoleh dari resultan gaya gravitasi F = -V.
dengan gaya Stokes, dimana
adalah perbedaan antara kerapatan udara dengan
minyak. Dengan demikian,
Untuk penentuan nilai muatan q yang lebih
akurat, harus diperhitungkan bahwa gesekan Stokes mempunyai faktor koreksi
untuk jari-jari r yang sangat kecil. Persamaan terkoreksi untuk gaya gesekan
Stokes tergantung pada tekanan udara P, yang dapat dituliskan sebagai
Dengan b
= 80
Jika
dimisalkan A = b/p, diperoleh,
Sehingga
diperoleh muatan q sebagai,
Percobaan milikan
disebut juga sebagai percobaan Oil Drop. Elektron mempunyai peran penting dalam
mempelajari gejala kelistrikan kemagnetan. Dengan mengembangkan gaya-gaya
gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara
dua pelat elektroda, masing-masing plat berdiameter 20 cm dan terpisah sejauh
7.67cm. Minyak diteteskan dengan tetesan kecil melalui dua plat logam dengan
dua buah plat yang dapat menarik muatan listrik dari tetesan minyak pada palat
bagian atas. Jika beda tegangan diatur agar mengimbangi gaya gravitasi pada
tetes minyak, maka partikel-partikel minyak yang mengandung muatan akan
melayang karena keseimbangan gaya tersebut. Pada keadaan ini gaya gravitasi
sama dengan gaya elektrostatik, sehingga muatan dapat diketahui besarnya [1].
Muatan listrik Q di
dalam suatu ruang, akan menyebabkan timbulnya medan listrik di ruang tersebut,
artinya setiap muatan lain Q yang berada di dalam ruang itu akan mengalami gaya
elekstrotatis” makin banyak Q makin kuat gaya F dan makin medan listrik yang
ditimbulkan oleh Q tersebut.” Sehingga kuat medan listrik di dalam ruang,
ditentukan oleh banyaknya muatan Q yang menimbulkan medan listrik tersebut,
serta tergantung pada jaraknya dari muatan Q [1].
Ada dua macam cara atau metode untuk
menentukan muatan q, yaitu metode ambang dan metode jatuh naik. Metode ambang
dilakukan dengan cara mengatur medan listrik sehingga gaya berat tetesan minyak
tepat diimbangi oleh gaya listrik sedangkan metode jatuh naik dilakukan dengan
mengukur v1 dan v2
dalam pengaruh tegangan U. Metode jatuh-naik menghasilkan nilai pengukuran yang
lebih tepat dibandingkan metode ambang karena dalam metode jatuh-naik kecepatan
v2 benar-benar diukur[2].
Melalui percobaan tetes minyak milikan ini,
tidak hanya elektron yang digunakan sebagai acuan di dalam dasar teori, akan
tetapi analisa fluida juga memiliki peranan di dalam percobaan. Aliran fluida merupakan garis lurus didalam
medan aliran yang dibuat pada saat waktu tertentu [3].
Dari percobaan Millikan menyimpulkan merupakan kelipatan bilangan bulat dari
nilai tertentu yaitu 1,6 x 10−19 C dan tdak pernah didapatkan nilai kurang dari 1,6 x 10−19 C.
Selanjutnya nilai 1,6 x 10−19 C disebut muatan elementar (muatan
elektron) [4].
METODOLOGI EKSPERIMEN
Adapun alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan
ini ialah satu set alat eksperimen Milikan
oil drop, Milikan supply unit, tiga pasang kabel penghubung, 50 cm, merah
dan biru, satu pasang kabel penghubung, 50 cm, hitam, dan dua buah timer box.
Sebelum melakukan
pengamatan pada tetesan minyak, dipastkan bahwa eyepiece pada mikrometer berada pada posisi yang benar sehingga
skalanya dapat terlihat dengan jelas. Selain itu, saklar U dan t berada dalam
keadaan off. Pengamatan diawali
dengan cara memijat atomizer hingga terlihat tetesan-tetesan minyak yang
bergerak turun akibat adanya gaya gravitasi. Kemudian menyalakan saklar U agar
tetesan-tetesan minyak tadi bergerak naik akibat adanya gaya elektrostatis yang
disebakan oleh pemberian tegangan. Tegangan ini dibuat konstan pada 280 volt. Setelah
itu, menandai satu skala sebagai titik acuan
(titik nol). Setelah tetesan minyak terletak pada tanda skala yang
dipilih, saklar U dimatikan dan saklar t dinaikkan sehingga waktu pada timer box akan berjalan dan mencatat
waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak turun sebanyak 20
skala. Waktu ini dicatat sebagai t1.
Setelah tetesan
berada pada skala ke-20, sklar U dinaikkan dan secara otomatis timer box akan berjalan dan mencatat
waktu yang dibutuhkan oleh tetesan untuk beregerak naik. Waktu ini dicatat
sebagai t2. Pengamatan ini dilakukan sampai 4 kali perhitungan waktu
naik dan jatuh. Kemudian, mengulangi pengamatan untuk tetsan minyak yang lain
dengan langkah yang sama. Berikut adalah skema percobaan yang dilakukan.
Pembahasan
Eksperimen ini bertujuan untuk menentukan muatan elementer
elektron, hasil eksperimen terdahulu yang dilakukan oleh Robert A Milikan
menemukan bahwa nilai muatan elementer elektron ( e ) yang diperoleh ialah
sebesar 1,6022 x 10-19 C, dan nilai ini ditetapkan sebagai nilai
muatan partikel terkecil.
Pada eksperimen ini, penentuan nilai muatan elementer
elektron dilakukan dengan menggunakan metode jatuh naik, yaitu dengan cara
mengukur waktu yang dibutuhkan oleh tetesan minyak untuk bergerak naik dan
turun. Pergerakan tetesan minyak yang ke atas dipengaruhi oleh gaya
elektrostatis, sedangkan pergerakan tetesan minyak yang ke bawah dipengaruhi
oleh gaya gravitasi dan gaya Stokes.
Jika nilai muAtan
elemnter elektron sebesar 1,6022 x 10-19C maka dengan melihat muatan
setiap tetesan dapat diperkirakan bahwa jumlaah elektron yang terdapat dalam
setaiap tetesan adalah
Tetesan pertama sebanyak
3 elektron
Tetesan kedua
sebanyak 2 elektron
Tetesan ketiga
sebanyak 6 elektron
Tetesan keempat
sebanyak 4 elektron
Tetesan kelima
sebanyak 3 elektron
Dengan perkiraan ini
diperoleh nilai rata-rata muatan elemter elektron sebesar
C, ini menunjukkan rentang nilai e diperoleh dari hasil
eksperimen yaitu 0,62x10-19C sampai 2,57x10-19C. Rentang
ini telah bersesuaiaan dengan nilai referensi muatan elementer elektron
(1,6022x10-19C), namun demikian rentang yang diperoleh masih besar
sehingga kesalahan relatifnya besar yaitu sebesar 80% dan derajat kepercayaan
yang hanya 20%. Kesalahan relatif ini mengindikaskan keakuratan eksperimen yang
dilakukan.
Kesalahan relatif yang relatif besar
pada variabel-variabel yang dihitung
menujukkan kekakuratan yang rendah, hal ini disebabkan oleh berbagai hal
diantaranya adalah nilai tegangan yang tertera berfluktuasi sehingga nilai
tegangan yang dianggap konstan pada percobaan ini sebenarnya tidak konstan
namun hanya diupayakan agar bisa konstan
di nilai 280 volt. Lintasan tetesan yang terkadang membelok akibat fluktuasi
nilai tegangan ini juga menyebabkan ketidak tepatan pengukuran jarak dan waktu
tempuh tetesan dalam bergerak naik maupun bergerak turun.
Secara umum eksperimen ini berhasil
membuktikan bahwa nilai muatan elemnter elektron adalah sebesar 1,6022x10-19C.
SIMPULAN
Nilai muatan elementer partikel elektron secara teori
ialah sebesar 1,6022x10-19 C. namun hasil eksperimen yang telah
dilakukan tidak sesuai dengan teori.
REFERENSI
[1] Alonso M Finn. 1992. Dasar – Dasar Fisika Universitas Edisi ke-2.
Jakarta: Erlangga.
[2] Pitts, Donald R. 1987. Perpindahan kalor : Jakarta. Erlangga
[3] Silaban, Pantur 1986. Fisika Modern Edisi ketiga. Jakarta:
Erlangga.
[4] Subaer, dkk. 2013. Penuntun Praktikum Eksperimen Fisika I Unit
Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika FMIPA UNM.
Untuk Versi lengkapnya silahkan download DISINI