Laporan Praktikum Tetes Minyak Milikan - 01111540000007 PDF

Preview

Summary

JURNAL SAINS DAN SENI ITS 1 Tetes Minyak Milikan Sulistiyawati Dewi K., Novia Dwi L., Fairus Salimatul, Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 e-mail: [email protected] Abstrak— Per...

Description

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

1

Tetes Minyak Milikan Sulistiyawati Dewi K., Novia Dwi L., Fairus Salimatul, Eddy Yahya Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

e-mail: [email protected] Abstrak— Percobaan Tetes Minyak Milikan bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan untuk menentukan banyaknya setiap muatan butiran minyak. Prinsip yang digunakan pada percobaan ini yaitu viskositas. Pada percobaan ini pergerakan butir minyak dipengaruhi oleh gaya berat, gaya Archimedes, gaya stokes, dan gaya coulomb. Variasi tegangan yang digunakan pada percobaan ini yaitu 200 volt, 400 volt, dan 600 volt. Pada percobaan ini diperoleh nilai rata-rata dari jari-jari butiran minyak pada tegangan 200 V, 400, dan 600 V adalah 0,71 x 10-5 ; 0,114 x 10-5 ; 0,90 x 10-5. Besar rata-rata muatan ketika tegangan 200 V, 400 V, dan 600 V secara berurutan adalah 6,82 x 10-20 ; 7,23 x 10-20 ; 9,28 x 10-20. Serta rata-rata banyaknya setiap muatan butiran minyak pada variasi tegangan 200 V, 400 V, dan 600 V berturut-turut adalah 0,4 ; 0,452 ; 0,58. Kata Kunci – Muatan, tegangan, tetes minyak milikan, viskositas. I. PENDAHULUAN alam kehidupan kita banyak kejadian menunjukkan adanya aliran elektron. Contoh sederhana ialah pada rangkaian tertutup yang terdiri dari sebuah lampu kecil dan baterai. Pada saat saklar ditutup arus konvensional mengalir dari potensial tinggi ke potensial rendah. Arus yang dimaksud adalah aliran muatan positif, sementara di saat yang sama juga mengalir muatan negatif dari potensial rendah ke potensial tinggi. Berbicara tentang muatan listrik, telah banyak percobaan yang dilakukan untuk mendukung ilmu di bidang kelistrikan dan menjawab pertanyaan apakah muatan listrik pada sebuah aliran listrik merupakan sebuah perkalian bilangan bulat dari suatu kuantitas tertentu atau apakah muatan dapat dibagi secara kontinu. Kemudian Robert A. Milikan melakukan percobaan yang dikenal dengan nama percobaan oil-drop atau tetesminyak Milikan. Dengan menyemprotkan minyak parafin ke

D

dalam ruang antar pelat kapasitor dan mengamati gerakan tetes minyak dengan teleskop. Salah satu contoh aplikasi dari percobaan tetes minyak milikan adalah untuk pemilahan bahan partikel dalam industri nano partikel. Sekitar tahun 1909-1913, Milikan melakukan sebuah eksperimen untuk mengukur e, arah muatan dasar sebuah elektron, dan memperlihatkan sesuatu yang menarik dari muatan ini. Percobaan Milikan terdiri dari dua piringan logam yang tersusun paralel. Percikan minyak jatuh pada sebuah lubang kecil di atas piringan. Milikan menggunakan sinar x untuk mengionisasi udara dalam ruang. Jadi, udara bebas akan mengikuti minyak jatuh yang mana akan terluhat melalui teleskop yang tersusun secara tegak lurus dengan lampu

penerang. Minyak-minyak jatuh ini terlihat seperti sebuah bintang yang bersinar pada sebuah layar yang gelap. Misalkan sebuah tetesan memiliki massa m dan membawa muatan q dimana muatan tersebut adalah muatan negatif. Jika tidak ada medan listrik diantara 2 plat, ada dua gaya yang bekerja pada muatan, yaitu gaya grafitasi yang mengarah ke bawah dan gaya Tarik Fd yang megarah ke atas. Gaya Tarik besarnya sebanding dengan kecepatan jatuh tetesan minyak. Ketika tetes minyak mencapai kecepatan terminal v, kedua gaya mengalami kesetimbangan [1]. Misalkan sebuah baterai terkoneksi pada piringan dan memberi medan listrik diantara piringan dengan potensial listrik lebih tinggi pada bagian atas piringan. Dalam hal ini, gaya ketiga qE bereaksi pada muatan tetesan minyak. Karena q adalah negatif dan E mengarah ke bawah, gaya listrik mengarah ke atas, seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah ini..jika gaya ini menjadi sangat besar, tetesan berpindah ke atas dan menarik gaya F’d yang mengarah ke bawah.ketika gaya listrik qE yang mengarah ke atas menyeimbangkan jumlah gaya grafitasi dan gaya tarik F’d yang mengarah ke bawah, tetesan minyak mencapai kecepatan terminal baru dalam arah ke atas [1]. Dengan mengaktifkan medan, sebuah tetes berpindah pelan ke atas, dengan kecepatan rata-rata ratusan cm per second. Setelah melakukan perhitungan ribuan tetesan, Milikan menemukan bahwa tetesann minyak memiliki muatan sama dengan muatan dasar e dikali suatu bilangan bulat. q = ne, n = 0,-1,-2,-3,... Dimana e = 1,60×10-19C [1]. Viskositas atau yang biasa disebut kekentalan dapat dianggap sebagai gesekan dalam fluida. Fluida memiliki gesekan internal yang besarnya tertentu disebut viskositas yang dilambangkan dengan η. Faktor faktor yang mempengaruhi suatu viskositas yaitu suatu koefisien kekentalan zat cair, massa jenis benuk, atau besar partikel. Selain itu yaitu suhu juga berpengaruh. Viskositas erat kaitannya dengan hukum stokes. Dimana hukum stokes pun juga berpengaruh. Besaran yang mempengaruhi gaya tersebut adalah viskositas fluida, jari – jari bola, dan kecepatan relatif terhadap fluida. Dapat dirumuskan sebagai berikut: [2] Fs = 6ηπrv Pada butiran minyak yang berada di udara dipengaruhi oleh beberapa gaya. Gaya yang bekerja pada butiran minyak antara lain gaya berat, gaya Archimedes, gaya stokes, dan gaya coulomb. Gaya berat merupakan gaya tarik bumi terhadap seluruh benda. Gaya berat arahnya selalu menuju ke pusat bumi. Gaya berat disebut juga dengan gaya gravitasi. Gaya gravitasi ada karena adanya pengaruh percepatan gravitasi bumi. Gaya berat dapat dirumuskan sebagai berikut: W = mg

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

2

Minyak parafin

Mikroskop

Multimeter

Tisu

Gambar 1. Skema percobaan tetes milikan Untuk benda yang semakin jauh dari permukaan bumi akan semakin kecil percepatan gravitasi yang mempengaruhinya, karena percepatan gravitasi berbanding terbalik dengan nilai kuadrat jarak benda dari pusat bumi. Gaya yang berpengaruh lainnya dalah gaya Archimedes. Gaya Archimedes adalah gaya apung benda yang berada pada suatu fluida. Gaya Archimedes dirumuskan sebagai berikut: FA = ρgVdisp Dimana ρ merupakan massa jenis fluida, dan Vdisp merupakan volume benda yang masuk di dalam fluida [3]. Gaya stokes merupakan gaya hambat yang diberikan oleh suatu fluida terhadap suatu benda yang bergerak relative terhadapnya. Gaya stokes muncul karena adanya kekentalan atau viskositas dari suatu fluida. Viskositas merupakan gesekan antar molekul pada suatu fluida. Oleh karena itu arah gaya stokes berlawanan dengan arah gerak dari suatu benda. Gaya stokes dapat dirumuskan sebagai berikut: Fs = 6πηrν Dimana η merupakan viskositas dari suatu fluida, r adalah jarijari objek, dan v merupakan kecepatan gerak relative objek terhadap fluida [3]. Gaya coulomb merupakan gaya yang timbul oleh dua muatan berbeda pada medan listrik. Gaya coulomb antar muatan sejenis akan tolak-menolak dan gaya coulomb antar muatan yang tidak sejenis akan tarik menarik. Gaya coulomb dapat dirumuskan sebagai berikut: Fc = kq1 x q2 r2 Dimana q1 dan q2 merupakan nilai muatan 1 dan 2, r merupakan jarak antar kedua muatan, dan k merupakan suatu konstanta yang nilainya 9 x 109 Nm2/kg2 [4]. Medan listrik merupakan area dimana terdapat garis-garis gaya listrik . Gaya Coulomb muncul karena muatan q1 menghasilkan medan listrik pada posisi muatan q2. Muatan q2 berinteraksi dengan medan yang dihasilkan muatan q1, dan interaksi tersebut menghasilkan gaya pada muatan q2. Arah medan listrik keluar dari muatan positif dan masuk ke muatan negative. Besarnya medan listrik dapat dirumuskan sebagai berikut: [4] E = kq r2 Pada percobaan tetes minyak milikan dua elektroda dipasang secara horizontal. Antar elektroda diberi tegangan sehingga muncul medan listrik. Tetesan minyak disemprotkan pada ruang antar elektroda dan diberi muatan negative sebesar q. berikut ini skema alat pada percobaan milikan [4]. Pada saat bola bergerak turun pertama butiran minyak bergerak dengan laju kecil, akan tetapi terus naik sampai pada

Sprayer

Milikan Oil Apparatus

Gambar 2. Rangkaian Alat Tetesan Minyak Milikan suatu waktu kecepatan tidak lagi berubah. Kecepatan ini disebut dengan kecepatan terminal. Pada kondisi ini berlaku gaya berat, gaya stokes, dan gaya Archimedes. nilai gaya berat sama dengan jumlah gaya Archimedes dan gaya stokes. Setelah dilakukan penurunan rumus pada kondisi ini berlaku rumus untuk menentukan nilai jari-jari minyak sebagai berikut: [4] √ Sedangkan persamaaan yang digunakan untuk menentukan nilai dari besarnya muatan yang tersimpan pada butiran minyak dapat dirumuskan sebagai berikut: [4]

II. METODOLOGI Pada percobaan ini, alat dan bahan yang digunakan antara lain Milikan Oil Apparatus, sprayer, multimeter, minyak parafin, mikroskop, sumber cahaya, tisu, dan stopwatch. Milikan Oil Apparatus merupakan satu set alat percobaan tetes minyak milikan. Milikan Oil Apparatus terdiri dari ruang penyemprotan, dan dua plat kapasitor yang disusun parallel dengan posisi horizontal. Ruang penyemprot ini merupakan tempat butiran minyak yang akan disemprotkan dengan spayer. Plat kapasitor merupakan bahan yang akan menjadi konduktor atau penghantar muatan listrik, sehingga ada beda potensial dan muatannya pada masing-masing logam. Sprayer berfungsi untuk menyemprotkan minyak sehingga membentuk butiran/tetesan. Multimeter untuk memberi tegangan. Minyak parafin berfungsi sebagai bahan yang akan diuji. Mikroskop berfungsi untuk melihat butiran minyak yang sangat kecil ukurannya didalam milikan oil apparatus. Sumber cahaya berfungsi untuk memberikan cahaya supaya butiran minyak dapat terlihat pada mikroskop serta dapat mengionisasikan butiran minyak. Tisu untuk membersihkan tangan yang terkena minyak. Stopwatch berfungsi untuk menghitung waktu yang diperlukan butiran minyak dari atas ke bawah atau sebaliknya. Skema alat pada percobaan ini adalah seperti pada gambar 2 dibawah ini: Langkah kerja yang dilakukan pada percobaan ini yaitu alat dan bahan yang akan digunakan pada percobaan

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

disiapkan. Lalu, diatur sumber cahaya sehingga butiran minyak dapat dilihat. Kemudian, diatur tegangan input yang Start

3

dapat dicari menggunakan rumus yang ada pada bab pendahuluan. Adapun flowchart pada percobaan ini dapat digambarkan pada gambar 3. III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Alat dan bahan disiapkan

a. Oil drop apparatus dihubungkan dengan tegangan 200V Minyak parafin disemprotkan ke ruang penyemprotan

Analisa Data Setelah dilakukan percobaan tetes miyak milikan diperoleh data sebagai berikut: Tabel 1 data hasil percobaan tetes minyak milikan V Pengulangan t naik (s) t turun (s) (volt)

Ditentukan butir yang diamati yang bergerak ke bawah

200 V

Switch pembalik medan listrik dikembalikan ke posisi semula. 400 V Waktu pergerakan butir minyak sejauh 0.5 mm dari bawah ke atas diukur dan dicatat 600 Switch pembalik medan listrik diturunkan

1

9,37

8,97

2

8,47

9,53

3

9,53

8,32

1

5,1

4,67

2

5,32

4,37

3

6,7

8,08

1

3,71

3,41

2

3,6

3,51

3

3,33

3,71

b. Hasil perhitungan Waktu pergerakan butir minyak sejauh 0.5 mm dari atas ke bawah diukur dan dicatat

Diulangi

Waktu (t)

Apakah sudah pengulangan?

Dari data hasil percobaan, dapat dihitung nilai jari-jari dan jumlah muatan dalam setiap tetes butir seperti contoh berikut: Diketahui : d = 0.05 cm tnaik= 9,37 s tturun= 8,97 s V = 200V = 0.0000181

ρ = ρminyak – ρudara = 875.3 - 1.29 = 874.01 kg/m3 g = 10 m/s2

Variasi V Apakah sudah Variasi V? Finish

Gambar 4. Flowchart Tetesan Minyak Milikan digunakan. Setelah itu, minyak parafin disemprotkan ke ruang penyemprotan dengan menggunakan sprayer. Lalu, dicari dan ditetapkan salah satu butiran minyak yang akan dijadikan obyek pengamatan dengan menggunakan mikroskop. Kemudian, medan listrik diatur dengan menggerakkan switch pembalik ke arah atas. Diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas bawah menuju garis batas atas. Kemudian, dikembalikan posisi switch pembalik ke posisi awal. Kemudian diamati dan dicatat waktu tempuh butiran minyak untuk bergerak dari garis batas atas menuju garis batas bawah. Selanjutkan dilakukan pengulangan sebanyak 3 kali dengan variasi tegangan input 200 V, 400 V, dan 600 V. Jari-jari pada butiran minyak dan besar muatan

: a. r…? b. n…?

Ditanya Jawab

:

Vnaik = s/tnaik = 0,05/9,37 = 0,00553cm/s= 5,53x 10-5 m/s r

√

=√

= 0,7 x 10-5 m

(

= 6,61 x 10-20 C

)

JURNAL SAINS DAN SENI ITS

4

Dengan menggunakan perhitungan seperti diatas, maka didapatkan nilai dari jari-jari butiran minyak (r), muatan butiran minyak (q), dan banyaknya setiap muatan butiran minyak (n) seperti pada tabel berikut ini:

Tabel 2. Hasil Perhitungan jari-jari butiran minyak (r), muatan butiran minyak (q), dan banyaknya setiap muatan butiran minyak (n) V Vnaik Vturu r (m) q (C) n n 0,7 x 6,61 x 0,413 0,005 0,00 -5 -20 10 10 336 5574 200

400

600

c.

0,005 903 0,005 247 Ṽ= 0,005 495 0,009 804 0,009 398 0,007 463 Ṽ= 0,008 888 0,013 477 0,013 889 0,015 015 Ṽ= 0,014 127

0,00 5247 0,00 601 Ṽ= 0,00 561 0,01 0707 0,01 1442 0,00 6188 Ṽ= 0,00 9446 0,01 4663 0,01 4245 0,01 3477 Ṽ= 0,01 4128

0,74 x 10

-5

0,69 x 10

-5

ṝ= 0,71 x 10-5

0,95 x 10

-5

0,93 x 10

-5

0,83 x 10-5

ṝ= 0,90 x 10-5

0,112 x 10-5 0,113 x 10-5 0,118 x 10-5 ṝ= 0,114 x 10-5

7,10 x 10-20

0,444

6,76 x 10-20

0,423

q= 6,82 x 10-20

ṅ= 0,43

8,42 x 10-20

0,526

8,37 x 10-20

0,524

4,89 x 10-20

0,306

q= 7,23 x 10-20

ṅ= 0,452

9,03 x 10-20

0,564

9,16 x 10-20

0,573

9,65 x 10-20

0,603

q= 9,28 x 10-20

ṅ= 0,58

Pembahasan Percobaan tetes minyak milikan ini mempunyai dua tujuan yaitu untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan untuk menentukan banyaknya setiap muatan butiran minyak. Prinsip yang digunakan pada percobaan ini yaitu viskositas. Pada percobaan ini pergerakan butir minyak dipengaruhi oleh gaya berat, gaya Archimedes, gaya stokes, dan gaya coulomb. Adapun perbedaan dari percobaan tetes minyak Milikan yang dilakukan oleh Milikan dan percobaan ini antara lain sebagai berikut. Percobaan Milikan hasil dari percobaannya adalah menemukan besar massa elektron dan bilangan avogadro sedangkan pada percobaan ini untuk menentukan besar jari-jari tetes minyak dan banyaknya setiap muatan butiran minyak. Percobaan Milikan dilakukan dalam suatu ruangan terbuka, sedangkan percobaan ini dalam ruangan tertutup yaitu didalam milikan oil appartus. Percobaan

Milikan, melihat butiran minyak menggunakan teleskop sedangkan percobaan ini menggunakan mikroskop. Percobaan Milikan menggunakan sinar X sedangkan percobaan ini menggunakan minyak parafin. Butiran minyak parafin awalnya tidaklah bermuatan, setelah masuk ke dalam pipa ia akan bermuatan negatif. Hal ini terjadi dikarenakan saat minyak tersebut masuk kedalam pipa, minyak yang bergesekan kedalam dinding pipa akan mengalami ionisasi. Pipa tersebut akan melepas elektronnya dan butiran minyak menangkap elektron tersebut. Sehingga butiran minyak menjadi bermuatan negatif. Setelah didalam plat konduktor, butiran minyak mula-mula sebelum diberi medan listrik (E), butiran minyak akan bergerak turun (bergerak naik menurut mikroskop, karena sifat mikroskop terbalik) karena adanya gaya gravitasi serta adanya gaya yang berlawanan arahnya keatas yaitu gaya archimedes. Butiran minyak juga akan bergesekan dengan fluida (udara). Kemudian, medan listrik diatur “ON” dengan menggerakkan switch pembalik ke arah atas. Butiran minyak akan bergerak naik (pada mikroskop bergerak turun). Hal ini dapat terjadi karena plat yang awalnya tidak bermuatan menjadi mempunyai muatan, plat atas bermuatan positif dan plat bawah bermuatan negative. Setelah bergerak jatuh kebawah dan diberi medan listrik, butiran minyak akan bergerak keatas karena muatan butiran minyak negative dan plat bawah negative juga, sehingga saling menolak dan bergerak keatas. Gaya yang bekerja pada saat naik adalah gaya elektrostatis dan gaya Archimedes yang dapat diabaikan (karena nilai gaya ini terlalu kecil), kedua gaya ini mempunyai arah keatas, sedangkan gaya kebawahnya adalah gaya gravitasi dan gaya stokes. Dengan dilakukan percobaan ini maka data yang didapat adalah waktu naik, waktu turun, dan tegangan seperti pada table 1. Pada data yang ditampilkan, menunjukkan bahwa waktu tempuh butiran minyak pada saat turun (naik pada mikroskop, sebelum ada E) umumnya lebih cepat dibandingkan dengan waktu tempuh butiran minyak pada saat naik (turun pada mikroskop, setelah ada E). Hal ini disebabkan oleh medan listrik yang mempengaruhi butiran minyak yang arahnya ke atas. Medan listrik tersebut adalah efek yang ditimbulkan dari beda potensial antara elektroda positif (atas) dan elektroda negatif (bawah) yang diberikan pada plat konduktor. Dilihat dari gaya yang ada, butiran minyak bergerak keatas karena ada gaya elektrostatis dan pengaruh gaya Archimedes yang sangat kecil sekali, butiran minyak ini akan dihambat oleh dua gaya yaitu gaya gravitasi dan gaya stokes. Sehingga resultan gaya yang dialam butiran minyak tersebut menyebabkan gerak butiran ke atas membutuhkan waktu yang lebih lama dari pada untuk turun. Pada percobaan ini, tetes minyak yang jatuh akan mengalami percepatan gravitasi, tetapi karena adanya gaya gesekan menyebabkan kecepatan minyak tetap. Kecepatan ini diperlukan untuk menentukan keseimbangan gaya. Melalui beda potensial antara dua keping dapat diatur sehingga gaya elektrostatis mampu membuat tetes minyak berhenti, sehingga terjadi keseimbangan. Setelah diberikan tegangan tertentu, tetes minyak berada pada keadaan setimbang. Variasi tegangan yang digunakan pada percobaan ini yaitu 200 Volt, 400 Volt, dan 600 Volt yang berfungsi untuk memberikan gaya listrik. Minyak yang digunakan adalah minyak parafin.

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Massa jenis minyak parafin ini sebesar 875,3 kg/m3. Medium pada percobaan ini yaitu udara yang memiliki massa jenis sebesar 1,29 kg/m3, dan memiliki nilai viskositas udara sebesar 1,81 x 10-5. Viskositas merupakan kekentalan suatu fluida. Besar kekentalan ini terjadi karena adanya ikatan atom pada fluida, gesekan antar ikatan ini akan membentuk kekentalan pada fluida. Jarak antara kedua plat (s) pada percobaan tetes minyak milikan ini sebesar 0.0005 m dan ketebalan plat konduktor (d) adalah 0.005 m. Berdasarkan data percobaan yang diperoleh, maka diperoleh nilai jari-jari butiran minyak serta diperoleh nilai banyaknya muatan disetiap butiran. Dapat dilihat pada contoh perhitungan diatas. Pada percobaan ini diperoleh nilai rata-rata dari jari-jari butiran minyak pada tegangan 200 V, 400, dan 600 V adalah 0,71 x 10-5 ; 0,114 x 10-5 ; 0,90 x 10-5. Besar rata-rata muatan ketika tegangan 200 V, 400 V, dan 600 V secara berurutan adalah 6,82 x 10-20 ; 7,23 x 10-20 ; 9,28 x 10-20. Serta rata-rata banyaknya setiap muatan butiran minyak pada variasi tegangan 200 V, 400 V, dan 600 V berturut-turut adalah 0,4 ; 0,452 ; 0,58. Data yang didapatkan pada percobaan ini tidak sepenuhnya sempurna dan cenderung berubah-ubah, hal ini disebabkan oleh sulitnya menentukan butiran minyak sebagai objek pengamatan yang berkecepatan tinggi, terkadang praktikan menentukan suatu butiran minyak pada saat bergerak turun namun saat diberi medan listrik butiran minyak tidak be...