laporan resmi eksperimen sinar katoda (e/m)

EKSPERIMEN SINAR KATODA (e/em)

Helmi Diana

Jurusan Fisika,Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,Universitas Jember

helmidiana@rocketmail.com

19 Desember 2011

ABSTRAK

Eksperimen sinar katoda dilakukan oleh fisikawan bernama J.J Thomson,dia membuktikan bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif.Eksperimen ini dilakukan untuk mengetahui hubungan antara radius berkas elektron (r) dengan beda tegangan elektroda pemercepat (∆v) pada masing-masing harga arus (I), serta untuk mengetahui perbandingan muatan dan massa elektron (e/m). Dari hasil eksperimen didapatkan nilai beda tegangan ( V ) berbanding lurus dengan jari-jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I),dimana nilai beda potensial semakin besar maka nilai radius berkas elektron juga bertambah besar.Nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil helmholtz,yaitu semakin besar nilai arus listrik maka nilai radius berkas elektron bertambah kecil.Perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan sudah mendekati harga e/m acuan yang pernah dilakukan oleh J. J. Thompson.

.

Key word: sinar katoda,koil helmholz

PENDAHULUAN

Elektron merupakan salah satu penemuan penting yang dapat menjelaskan berbagai fenomena fisika,salah satunya adalah gejala kelistrikan dan kemagnetan.Pada awalnya elektron sangat sulit ditemukan,setelah melalui beberapa eksperimen, akhirnya seorang fisikawan yang benama Sir Joseph John Thomson (1856-1940) pada tahun 1897 membuktikan percobaan meyakinkan bahwa sinar katoda adalah pancaran berkas partikel bermuatan negatif.

Dalam percobaannya, Thomson menemukan bahwa sinar katoda yang terdiri dari partikel-partikel negatif ini disebut dengan elektron.Katoda yang bbermuatan negatif memancarkan elektron yang dipercepat oleh penarikan anoda yang bermuatan positif.

Suatu elektron dengan kecepatan tinggi yang dipancarkan dari katoda pada sebuah tabung dalam keadaan vakum disebut dengan sinar katoda.Dengan menggunakan tegangan yang sangat tinggi sinar-sinar katoda ini akan dipercepat dan dikendalikan oleh medan magnet.Apabila elektron bergerak dengan arah tegak lurus terhadap arah medan magnet,maka elektron tersebut akan membelok sebagai busur lingkaran.Hal tersebut diakibatkan oleh timbulnya gaya magnetik.

Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson tersebut, 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 sifat-sifat coil helmholzt yang menyebabkan adanya gaya sentripetal yang membuat elektron berbentuk lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik antara katoda dengan anoda.

Jika partikel bermuatan (elektron)  bergerak dengan kecepatan v di daerah dengan kuat medan B, maka pertikel tersebut akan mengalami pembelokkan yang diakibatkan oleh timbulnya gaya magnetik (Fm),maka besarnya gaya magnetik dapat ditentukan dengan persamaan:

F_m=ev x B                   (2.1)     Dimana Fm=Fc

Maka evB=mv²/m       (2.2)

Dalam percobaan sinar katoda terdapat dua 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 gaya magnetik dan gaya sentripetal yang diuraikan sebagai berikut :

F_m = F_c                                                       

                               (2.3)

Berkas elektron diperoleh dengan menggunakan elektron gun.Berkas elektron tersebut kemudian dipercepat melalui beda potensial (∆V).Adanya beda potensial ini menghasilkan energi potensial elektron (_e∆V) yang seluruhnya diubah menjadi energi  kinetik elektron sebesarketika elektron tersebut mencapai ujung yang lain.

            (2.4)

besar medan magnet yang mempengaruhi pergerakan linear elektron di daerah koil Helmholtz di tentukan dengan persamaan :

                         (2.5)

Harga pebandingan muatan dan massa elektron (e/m) adalah sebagai berikut:

(2.6)

Keteranangan :

∆v        = potensial pemercepat (volt)

          = radius helmholtz koil

N         =jumlah lilitan pada helmholtz koil

R         = radius sinar lektron (m)

µ₀        = konstanta permeabilitas udara (µo = 4π x 10^-7)

Dilaksanakannya Eksperimen sinar katoda ini memiliki beberapa tujuan,diantaranya adalah untuk mengetahui hubungan antara radius berkas elektron (r) dengan beda tegangan elektroda pemercepat (∆V) pada masing-masing harga arus (I) dalam grafik,serta untuk menentukan perbandingan muatan dan massa elektron (e/m) baik secara teori maupun secara perhitungan dari eksperimen yang telah dilakukan.Selain hal tersebut eksperimen sinar katoda sangatlah bermanfaat dalam menunjang penemuan-penemuan terbaru di bidang teknologi.Contohnya adalah pesawat televisi.

METODE EKSPERIMEN

Adapun alat dan bahan yang digunakan pada eksperimen sinar katoda (e/m) yaitu, peralatan pengukuran e/m digunakan sebagai alat yang digunakan untuk mengukur besarnya harga e/m sinar katoda, high voltage DC power supply berfungsi sebagai sumber tegangan DC tinggi, Low voltage DC power supply berfungsi sebagai sumber tegangan AC/DC rendah, digital voltmeter berfungsi sebagai penghubung rangkaian.

Dimana rangkaian percobaan pada eksperimen eksperimen sinar katoda (e/m) adalah sebagai berikut:

Gambar susunan eksperimen e/m

Sumber: Buku panduan praktikum eksperimen fisika 1

Adapun langkah-langkah yang akan dilakukan pada esksperimen sinar katoda (e/m) adalah sebagai berikut:

Ø  Tahap persiapan

 

 

Ø  Tahap Pengukuran

 

           

 

           

 

           

 

Analisa data yang digunakan adalah sebagai berikut:

Ø  Untuk mencari e/m secara analitik

Ø  Perhitungan e/m secara grafik (I) tetap (V) berubah

Ø  Perhitungan e/m secara grafik (V) tetap (I) berubah

Ø  Nilai deskrepansi

              Dimana,       

Ø  Ralat

I=100%-K

HASIL

Ø  Untuk (I) tetap dan (V) berubah:

Nilai e/m untuk (I) tetap (V) berubah

Nilai e/m secara grafik untuk (I) tetap (V) berubah

Nilai Deskrepansi  untuk (I) tetap (V) berubah

D=0,0133

Nilai Deskrepansi secara grafik  untuk (I) tetap (V) berubah

D=0,26

Ralat untuk (I) tetap (V) berubah

Ø  Untuk (V) tetap dan (I) berubah

Nilai e/m untuk (V) tetap  (I) berubah

Nilai e/m secara grafik untuk (V) tetap (I) berubah.

Nilai Deskrepansi  untuk (V) tetap (I) berubah

D=0,019

Nilai Deskrepansi secara grafik  untuk (V) tetap (I) berubah

D=0,96

Ralat untuk (V) tetap (I) berubah

Ø  Grafik hubungan antara  D^2 (m^2) dengan beda potensial V(volt)

Gambar 3.1: Grafik hubungan antara D^2(m^2) dengan beda potensial V

Ø  Grafik hubungan antara 1/ D^2 (m^2) dengan Arus I(A)

Gambar 3.2:Grafik hubungan antara 1/D^2 (m^-2)dengan Arus

DISKUSI

Pada eksperimen ini membahas tentang eksperimen sinar katoda (e/m) dengan tujuan untuk mengetahui hubungan antara berkas radius elektron (r) dengan beda tegangan ellektroda pemercepat (∆V) pada masing-masing harga arus (I) dalam grafik, serta untuk mengetahui perbandingan massa dan muatan elektron(e/m) baik secara teori maupun hasil perhitungan.

Langkah pertama yang dilakukan dalam eksperimen sinar katoda (e/m) adalah melakukan penngamatan dimana nilai arus listrik pada coil helmholtz bernilai tetap yaitu 1A,dengan nilai variabel beda potensial diubah dan kemudian diperbesar.Nilainya dimulai dari 100 volt sampai  150 volt dengan masing-masing dilakukan tiga kali pengulangan pengukuran.Dari hasil pengukuran didapatkan nilai radius berkas elektron bertambah besar. Dengan demikian dapat diketahui bahwa nilai beda potensial berbanding lurus dengan radius lintasan berkas elektron yang terbentuk.Hal tersebut dapat terjadi karena percepatan elektron gun pada lintasan linier dipengaruhi oleh nilai beda potensial.

Langkah selanjutnya adalah dilakukan pengamatan dimana nilai beda potensial (V) tetap yaitu 140 volt,sedangkan nilai arus (I) dirubah dan kemudian diperbesar, akan tetapi tidak boleh melebihi 1,5 A.Sehingga nilainya yaitu antara 1A sampai 1,4 A dengan masing-masing dilakukan tiga kali pengulangan pengukuran untuk setiap harga arus (I).Dari hasil pengukuran didapatkan bahwa radius lintasan elektron cenderung semakin mengecil. Dengan demikian diketahui bahwa semakin besar nilai arus listrik, maka besar medan magnet (B) yang dibangkikan oleh koil Helmhotz juga akan semakin besar. Sehingga dapat disimpulkan bahwa nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil helmhotz.

Pada eksperimen yang dilakukan berkas lintasan elektron berbentuk melingkar.Bentuk melingkar ini terjadi karena adanya pengaruh medan magnet (B) yang dibangkitkan oleh sebuah coil helmholtz.Elektron yang dilepaskan oleh elektron gun ditarik oleh beda potensial yang mengakibatkan adanya pergeseran lintasan dari linier menjadi melingkar.

Tujuan selanjutnya adalah untuk mengetahui perbandingan muatan dan massa elektron (e/m).Dari hasil perhitungan nilai perbandingan muatan dan massa elektron (e/m) pada saat (I) tetap dan (V) berubah adalah sebesar  untuk hasil analitik dan sebesar  pada grafik, dengan prosentase kesalahan 1,3%.Sedangkan pada saat  (V) tetap dan (I) berubah adalah sebesar  untuk hasil analitik dan  pada grafik, dengan prosentase kesalahan sebesar 1,9%. Hasil (e/m) hasil eksperimen tersebut sudah mendekati dengan hasil (e/m) acuan yaitu sebesar .Jadi dapat disimpulkan bahwa hasil perbandingan muatan dan massa elektron (e/m) hasil eksperimen yang dilakukan dapat dikatakan cukup valid.

KESIMPULAN DAN SARAN

Ø  kesimpulan

-          Nilai beda tegangan elektroda pemercepat ( V ) berbanding lurus dengan jari-jari

-          lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I),dimana jika nilai beda potensial semakin besar maka nilai radius berkas elektron juga bertambah besar.

-          Nilai radius berkas elektron berbanding terbalik dengan nilai arus listrik pada coil helmholtz,yaitu semakin besar nilai arus listrik maka nilai radius berkas elektron bertambah kecil.

-          Perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan sudah mendekati harga e/m acuan yang pernah dilakukan oleh J. J. Thompson.

Ø  Saran

Ketika melaksanakan pengambilan data harus dengan ketelitian yang baik terutama saat melihat panjang lintasan berkas elektron.

DAFTAR PUSTAKA

M Finn,Alonso.1987.Dasar-Dasar Fisika Universitas Edisi Kedua.Jakarta:Erlangga

Respati.1992.Dasar-Dasar Ilmu Kimia.Jakarta: PT. Rineka Cipta

Sastrohamidjojo,Harjdono.2008. Kimia Dasar.Jogjakarta: UGM

Tim Penyusun Panduan Praktikum Optoelektronika dan Fisika Modern. 2011. Buku Panduan  Eksperimen Fisika I. Jurusan Fisika. FMIPA : Universitas Jember

Wihono,Bambang Subali.1986.Fisika Atom.Jakarta: Universitas Terbuka

Wospakrik,Hans.2005.Dari Atom Hingga Quark.Jakarta: Universitas Atma Jaya