eksperimen sinar katoda

Download Free e-books Fisika di http://www.elhobela.co.cc Persembahan Web-Blog Edukasi ELHOBELA

EKSPERIMEN SINAR KATODA (e/m)

LAPORAN EKSPERIMEN FISIKA I

Diajukan guna memenuhi tugas praktikum Eksperimen Fisika I untuk Mahasiswa

Fisika Semester V

Oleh

Abdus Solihin

071810201067

LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKA DAN FISIKA MODERN

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS JEMBER

2009


KATA PENGANTAR

Segala puji bagi Allah, Tuhan semesta alam yang telah memberi sangat

banyak kenikmatan kepada makhluknya, sehingga dengan kenikmatan itu hamba

ini mampu menyelesaikan tulisan ini. Shalawat dan salam tetap tercurahkan

kepada Rasullullah Muhammad SAW yang telah menyampaikan risalah kebaikan

akhlak, keobjektifan berpikir, dan kemaksimalan humanisme lewat ayat-ayat

Qur’aniah yang dibawanya berupa Al-Qur’an, Al-Hadits, dan peluang kemajuan

yang berupa ayat-ayat kauniah.

Salah satu dari sedemikian banyaknya ayat kauniah tersebut adalah

fenomena Sinar Katodayang merupakan eksperimen dalam mengetahui lebih juh

sifat-sifat elektron. Dan demikianlah eksperimen ini dapat menambah kerangka

filosofis bagi penulis, dan semoga juga bagi pembaca, guna kemaksimalan ilai-

nilai kemanusiaan kita dihadapan sesama dan dihadapan Sang Pencipta.

Demikian kami ucapkan terimakasih sebesar-besarnya kepada:

1. Ketua Jurusan Fisika: Bpk. Dr. Edy Sutrisno

2. Dosen pembimbing praktikum: Bpk. Supriadi, S.Si

3. Asisten pembimbing

Sebagaimana peribahasa tak ada gading yang tak retak, maka penulis

mengharapkan kritik dan saran guna penyempurnaan tulisan selanjutnya. Penulis

ucapkan terimakasih banyak atas perhatiannya.

Penulis

Abdus Solihin


ABSTRAK

Eksperimen Sinar Katoda

(Abdus Solihin, Jurusan Fisika FMIPA Universitas Jember)

Eksperimen dalam menentukan besar muatan elektron pertma kali dilakukan oleh

J. J. Thompson. Dalam percobaanya, Thompson 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 Thompson 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 arus I berbanding terbalik dengan r. nilai e/m

diperoleh dari hubungan kesetimbangan gaya antara gaya magnet dan gaya

sentripetal electron yang disebabkan adanya medan magnet. Dari data yan

diperoleh pada eksperimen tersebut, didapati bahwa nilai radius berbanding

lurus dengan nilai penambahan arus listrik pada elektron gun dan berbanding

terbalik dengan nilai tegangan pada coil Helmhoztz.

Kata Kunci: Sinar Katoda, Coil Helmholzt, Electron Gun, Radius Elektron


BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Tabung sinar katoda adalah tabung hampa udara yang dibuat dengan

memanfaatkan teknik pevakuman Geisler yang dapat memancarkan elektron

dalam bentuk sinar katoda sebagai sinar hijau pucat 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 Thompson disebut

sebagai elektron.

Pengukuran nilai muatan elektron (e) dapat dapat diketahui setelah

percobaan yang dilakukan oleh J.J. Thompson, 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

berbentu lingkaran dari gaya linier yang timbul akibat perbedaan tegangan listrik

antara katoda dengan anoda. Bertolak dari percobaan yang pernah dilakukan oleh

Thompson tersebut, eksperimen ini mencoba untuk membuktikan kembali

hubungan-hbungan 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.


1.2 Rumusan Masalah

1. Apa hubungan antara beda tegangan elektroda pemercepat ( )V dengan

jari-jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I)?

2. Apa hubungan antara nilai arus lisrik pada coil Helmhozt ( I ) dengan jari-

jari lintasan berkas elektrón (r)?

3. Bagaimana persamaan linear untuk masing-masing harga arus I?

4. Berapa nilai perbandingan e/m yang diperoleh?

1.3 Tujuan Praktikum

Praktikum ini bertujuan untuk :

1. Mengetahui hubungan antara beda tegangan elektroda ( )V dengan jari-

jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I)

2. Mengetahui hubungan antara nilai arus lisrik pada coil Helmhozt ( I )

dengan jari-jari lintasan berkas elektrón (r)

3. Mendapatkan persamaan linear untuk masing-masing harga arus I

4. Mengetahui harga perbandingan e/m melalui percobaan yang dilakukan

lalu membandingkan dengan percobaan yang pernah dilakukan oleh J. J.

Thompson

1.4 Manfaat Praktikum

Dengan melakukan eksperimen ini, mahasiswa dapat mengetahui dan

memahami sifat dan karakteristik elektron sehingga dapat menunjang

pengaplikasian lebih lanjut dari sifat-sifat kelistrikan


BAB 2. 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.

Gambar 2.1: Pembelokan sinar katoda dalam medan listrik

Sumber gambar: Fundametal Concepts of Chemistry

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.

Katoda sebelah kiri sangat ditinggikan temperaturnya dengan alat pemanas, dan

elektrón-elektronnya menguap dari permukaannya. Penguapan elektrón ini disebut

sinar katoda. Sinar-sinar katoda dipercepat melalui tegangan tinggi yang

dikendalikan dengan medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil.(Sears

Zemansky, 1986: hal 618)


Jika partikel bermuatan (elektron) jika bergerak dengan kecepatan v di

daerah dengan kuat medan B, maka pertikel tersebut akan mengalami

pembelokkan yang diakibatkan oleh timbulnya gaya magnetik (Fm). Jika muatan

elektron adalah e dan kecepatannya v, maka elektron akan mengalami gaya

magnetik yang besarnya :

Fm = ev x B (2.1)

Dimana: Fm = Fs

Maka: evB = mv2/r atau mv = P = eBr (2.2)

Persamaan diatas disebut formula siklotron, karena persamaan tersebut

menggambarkan gerak partikel di dalam sebuah siklotron (alat pemercepat

partikel). (Wiyanto, 2008:75-76)

Gambar 2.2: Pembelokan sinar katoda dalam medan magnet

Sumber gambar: Ilmu Kimia Untuk Universitas, Jilid 1

Dalam hal ini, J.J. Thompson seorang ahli físika yang berasaldari Inggris

pada tahun 1897 melakukan percobaan yang bertujuan untuk mencari


perbandingan antara besarnya muatan suatu partikel (misalnya elektrón e) dengan

massa partikel itu. Thompson mengamati bahwa penyimpangan partikel di dalam

tabung yang dilengkapi dengan listrik dan medan magnet yang arahnya tegak

lurus. Elektrón dilepaskan dari filamen katoda K, sehingga bergerak menuju

anoda yang potensialnya lebih tiggi daripada K. Pancaran elektroda dari K menuju

A ini juga disebut sinar katoda. (Tobing, 1986 :4.6)

Dalam percobaan sinar katoda tersebut 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 memesuki daerah medan magnetik akan terjadi

kesetimbangan gaya yaitu antara gaya magnetik dan gaya sentripetal yang

diuraikan sebagai berikut :

Fm

= C

F

EvB = r

vm

2

Br

v

m

e (2.3)

2/1

2

m

Vev (2.4)

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

( Ve ) yang seluruhnya diubah menjadi energi kinetik elektron sebesar

2

2

1mv

ketika elektron tersebut mencapai ujung yang lain.


Sedangkan besar medan magnet yang mempengaruhi pergerakan linear

elektron di daerah koil Helmholtz di tentukan dengan persamaan :

a

INB

4/3

0

)4/5(

(2.5)

dimana N adalah jumlah lilitan pada koil, I adalah arus yang mengalir, a adalah

radius Helmholtz koil dan 0

adalah konstanta permeabilitas udara (yang besarnya

0 = 7

104

x )

Dengan demikian didapatkan nilai (e/m) di peroleh dari dua besaran

kecepatan elektron v dan kuat medan magnet B, yaitu :

2

0

22/3

)(

)4/5(2

rIN

aV

Br

v

m

e

(2.6)

Penjelasan dari masing-masing simbol tersebut adalah sebagai berikut:

V : Potensial pemercepat (volt)

A : radius Helmholtz koil (a= 15 cm)

N : Jumlah lilitan pada Helmholtz koil (N = 130 lilitan)

I : arus lilitan pada Helmholtz (ampere)

R : radius sinar elektron (meter)

0 : konstanta permeabilitas udara (

0 = 7

104

x )

(Tim Penyusun, 2009 :3)


BAB 3. METODE PENELITIAN

3.1 Alat dan Bahan

Peralatan yang digunakan dalam eksperimen sinar katoda sebagai berikut:

1. Peralatan pengukuran e/m: Peralatan yang terdiri dari tabung sinar katoda, koil

helmhozt, pengatur tegangan dan arus listrik, elektron gun, dan sebagainya

yang berfungi sebagai objek tempat pengamatan dan pengaturan sistem

percobaan, serta tempat visualisasi radius elektron

2. High voltage DC power supply: Sebagai Sumber tegangan masukan pada

elektroda yang memicu pergerakan linear elektron

3. Low voltage AC/DC power supply: Sebagai Sumber tegangan masukan pada

coil helmholtz yang memicu medan magnet B yang menyebabkan pergerakan

melingkar elektron

4. Digital voltmeter: Alat untuk mengukur nilai tegangan

5. Kabel penghubung: Untuk menghubungkan arus listrik dari satu komponen ke

komponen yang lain

3.2 Langkah Kerja

1. Alat dirangkai seperti gambar 3.1

2. Sebelum pengukuran berlangsung dipastikan semua aliran listrik dalam

posisi off. Switch toggle diletakkan posisi up.

3. Pengatur arus Helmholtz diputar pada posisi off. Koil Helmholtz

dihubungkan dengan tegangan rendah, semua arus dan sumber tegangan

diletakkan pada posisi nol.

4. filamen elektrón gun dihubungkan dengan power suplí bertegangan tetap

6,3 VAC atau VDC. Pemercepat electróde dihubungkan pada tegangan Dc

(0 – 500 volt). Sumber tegangan pada posisi nol.


5. Semua sumber tegangan dan arus listrik dihidupkan. secara perlahan–lahan

sumber tegangan filament diputar, perlu diperhatikan besarnya voltmeter

sampai sebesar 6 volt. Tegangan elektroda pemercepat dinaikkan pada harga

sekitar 100 Volt. Lintas berkas elektron akan terlihat berwarna kebiru-biruan.

6. Sumber tegangan koil Helmholtz dinaikkan pada harga sekitar 7 volt, sumber

arusnya dinaikan sehingga dapat diamati perubahan pada lintasan

berkaselektron. Pengatur arus diputar pada panel keposisi sekitar ¾

maksimum.

7. Posisi sumber arus koil Helmholtz diletakkan pada harga I = 1A.

8. Posisi sumber tegangan elektroda pemercepat diletakkan pada harga V = 90

volt. Radius lintasan berkas elektron dicatat.

9. Pengukuran pada langkah 8 diulangi sebanyak 10 kali untuk V yang berbeda

(100, 105,......,145).

10. Pengukuran pada langkah 7 s/d 9diulangi sebanyak 3 kali untuk arus I yang

berbeda.

3.3 Gambar Rangkaian Percobaan

Gambar 3.1: susunan eksperimen e/m


Sumber gambar: eksperimen fisika-I_Lab. FisMod & Optoelektronik

3.3 Metode Analisis

.Untuk mencari harga (e/m) digunakan rumus sebagai berikut:

2

0

23

452

NIr

aV

m

e

dimana :

22

23

)(

)45(2

r

V

NI

a

m

e

o

2

0

23452

NI

a

2r

V

m

e

Membuat Grafik

Persamaan garis linier dari grafik adalah xmy .

Dimana m adalah gradient grafik yang didapat dari:

Vma

eR

Ve

mr

r

V

m

e

2

2

dengan me

V

y = (em/)x

R=r2


Grafik Hubungan Antara Beda potensial(volt) dengan Jari-jari(m)

y mx m

em

m

e

m

e

Dimana:

ΔV : potensial pemercepat ( Volt )

a : radius Helmholtz koil ( a = 15 cm )

N : jumlah lilitan pada Helmholtz koil ( N = 130 )

I : arus listrik pada Helmholtz ( Ampere )

r : radius sinar katoda ( meter )

μ0 : konstanta permeabilitas udara 7

0104

Untuk mencari besarnya diskrepansi digunakan persamaan sebagai berikut:

%100

acuan

acuan

me

memeD

dengan

kgc

kg

c

m

e

acuan

11

31

19

1076,1101,9

106,1


BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil

Untuk I = 1 A dan V = 7 Volt, grafiknya adalah sebagai berikut:

Dimana nilai ralatnya:

0,55

C/kg 03-7.09E

3296678

kg 729123987

1

1

1

1

1

11

D

m

e

m

Untuk I = 1,1 A dan V = 7 Volt, grafiknya adalah

sebagai berikut:

y = 20803x + 58.16R² = 0.996

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005

Teg

an

ga

n E

lek

tro

da

(V

)

Kuadrat Radius Lintasan Elektron (m)

Series1

Linear (Series1)

m(β) e/m

23987 7,91E+10

c PA

44,11 2

α D(%)

3296678 0,55

∆m = 2525


Dimana nilai ralatnya adalah:

m(β) e/m

44758 1,22E+11

c PA

5,439 2

α D(%)

2724528 0,31

∆m

5189

Untuk I = 1,2 A dan V = 7 Volt, grafiknya adalah sebagai berikut:

y = 44758x + 10.43R² = 0.988

0

50

100

150

0.000 0.001 0.002 0.003 0.004

Teg

an

ga

nE

lek

tro

da

(V

)


Grafik Hubungan Kuadrat Radius Lintasan Elektron vs Tegangan

Elektroda

Series1

Linear (Series1)


Dimana nilai ralatnya adalah:

m(β) e/m

39373 9,01E+10

c PA

22,33 1

α D(%)

2289360 0,49

∆m

16775

y = 39291x + 41.78R² = 0.993

0

50

100

150

0.000 0.001 0.001 0.002 0.002 0.003 0.003Teg

an

ga

n E

lek

tro

da

(V

)


Grafik Hubungan Kuadrat Radius Lintasan Elektron vs Tegangan

Elektroda

Series1

Linear (Series1)


Data Hasil Pengamatan:

Tabel 1.1: Tabel Pengamatan untuk I = 1 A

Pengukuran ke- Arus Helmholtz (A) Radius Lintasan (m)

Tegangan Elektroda (V)

1 1 0,042 95

2 1 0,045 100

3 1 0,047 105

4 1 0,050 110

5 1 0,052 115

6 1 0,055 120

7 1 0,057 125

8 1 0,059 130

9 1 0,061 135

10 1 0,062 140

Tabel 1.2: Tabel Pengamatan untuk I = 1,3 A

Pengukuran ke- Arus Helmholtz (A) Radius Lintasan (m)

Tegangan Elektroda-Yi (V)

1 1,1 0,042 95

2 1,1 0,045 100

3 1,1 0,046 105

4 1,1 0,049 110

5 1,1 0,050 115

6 1,1 0,051 120

7 1,1 0,052 125

8 1,1 0,053 130


9 1,1 0,055 135

10 1,1 0,056 140

Tabel 1.3: Tabel Pengamatan untuk I = 1,6 A

Pengukuran ke- Arus Helmholtz (A)

Radius Lintasan (m)

Tegangan Elektroda-Yi (V)

1 1,2 0,037 95

2 1,2 0,039 100

3 1,2 0,040 105

4 1,2 0,041 110

5 1,2 0,043 115

6 1,2 0,045 120

7 1,2 0,046 125

8 1,2 0,047 130

9 1,2 0,049 135

10 1,2 0,050 140

4.2 Pembahasan

Dalam eksperimen ini, dilakukan pengukuran jari-jari berkas lintasan

elektron yang berbentuk linkaran sebanyak 3 kali pengukuran. Berkas lintasan

elektron tersebut dapat berbentuk lingkaran karena pengaruh mendan magnet B

yang dibangkitkan oleh koil Helmhotz, sehingga elektron yang dilepaskan oleh

elektron gun dan ditarik oleh beda potensial mengalami pergeseran lintasan dari

bentuk linier menjadi berbentuk lingkaran. Dari pola demikianlah, dicoba di tarik

korelasi antara nilai arus listrik pada koil Helmhotz, nilai beda tegangan elektron

gun dan besar radius yang terbentuk. Sehingga bisa didapat nilai akhir dari

perbandingan antara e/m guna mengetahui lebih jauh karakterisitik elektron.


Dari eksperimen yang dilakukan, didapatkan pola bahwa pada arus listrik

koil Helmhotz bernilai tetap dan variable beda potensial diubah diperbesar, maka

nilai radius lintasan elektron juga turut menjadi lebih besar. Dan ini berlaku untuk

30 sampel uji coba yang dilakukan dengan 10 sampel pada arus helmhotz tetap 1

A, 10 sampel pada arus helmhotz tetap 1,1 A, dan 10 sampel pada arus helmhotz

tetap 1,2 A. Dengan demikian dapat diketahui bahwa nilai beda potensial

berbanding lurus dengan radius lintasan elektron yang terbentuk. Hal ini dapat

terjadi karena nilai beda potensial akan berpengaruh pada percepatan elektron gun

dalam lintasan linier.

Berbeda dengan pengamatan pada nilai variabel beda potensial tersebut.

Pada variabel berubah arus listrik dari 1 A, 1,1 A, menjadi 1,2 A didapatkan data

bahwa radius lintasan elektron cenderung semakin mengecil. Dengan demikian

diketahui bahwa semakin besar nilai arus listrik, maka besar medan magnet yang

dibangkikan oleh koil Helmhotz juga akan semakin besar. Perbesaran medan

magnet koil helmhotz tersebut menyebabkan nilai gaya sentripetal yang akibat

medan magnet juga menjadi semakin besar. Sehingga, didapatkan bahwa nilai

arus listrik pada koil helmhotz berbanding terbalik dengan besar radius lintasan

elektron.

Sedangkan nilai acuan

me )/( dari eksperimen Thompson dan harga (e/m)

hasil pengukuran menunjukkan nilai yang relatif mirip. Sehingga tidak didapati

perbedaan yang mencolok disini.


BAB 5. PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari hasil eksperimen dapat disimpulkan bahwa:

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

jari lintasan berkas elektrón (r) untuk setiap nilai arus (I), yaitu semakin besar

nilai tegangan maka radiuspun semakin besar pula

2. Nilai arus lisrik pada coil Helmhozt ( I ) berbanding terbalik dengan jari-jari

lintasan berkas elektrón (r), dimana semakin besar nilai arus listrik yang

diiberikan, nilai radius menjadi semakin kecil

3. Dari grafik antara nilai beda potensial yang diberikan dengan nilai kuadrat

radius yang terbentuk didapatkan persamaan linear untuk masing-masing harga

arus I

4. Perbandingan harga e/m melalui percobaan yang dilakukan ekuivalen atau

mendekati harga e/m acuan yang pernah dilakukan oleh J. J. Thompson

5.2 Saran

Sebaiknya variable yang digunakan memiliki range yang lebih luas.

Sehingga akan didapatkan nilai yang lebih mendekati harga e/m acuan.


DAFTAR PUSTAKA

Keenan; 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.

Tim Penyusun Panduan Praktikum Laboratorium Optoelektronika dan Fisika

Modern, 2009. Buku Panduan Eksperimen Fisika I. Jurusan Fisika. FMIPA:

Universitas Jember.

Tobing, D. L.,1986. Teori Medan.jakarta : Penerbit Karunika Jakarta Universitas

Terbuka.

Wiyanto, 2008.Elektromagnetika. Yogyakarta : Graha Ilmu.

Zemansky, Sears, 1986. Fisika Untuk Universitas 2 “Listrik Magnet”. Bandung:

Binacipta.

eksperimen sinar katoda

Documents