Abstrak—Telah dilakukan percobaan
yng berjudul Tetes Minyak Milikan. Percobaan ini bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan menentukan nilai
muatan butiran minyak. Percobaan tetes minyak Milikan ini
menggunakan prinsip bola jatuh. Data yang diperoleh berupa waktu naik dan waktu
turun butiran minyak, serta besar tegangan sumber. Percobaan dilakukan dengan
memberikan variasi pada sumber tegangan yaitu 200 V dan 300 V serta dilakukan
perulangan sebanyak 7 kali setiap pengambilan data waktu naik dan waktu turun.
Jari-jari diperoleh dari perhitungan berdasarkan penurunan rumus dari
kesetimbangan tiga gaya (gaya stokes, gaya gravitasi, dan gaya Archimedes).
Sedangkan nilai muatan butiran minyak diperoleh
dari kesetimbangan 4 gaya (gaya stokes, gaya listrik, gaya gravitasi, dan gaya
apung). Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan
didapatkan kesimpulan bahwa semakin besar beda potensial semakin kecil waktu yang dibutuhkan butiran untuk naik
maupun turun sehingga semakin besar kecepatannya. Dari perhitungan rata-rata diperoleh
jari-jari butiran minyak pada variasi tegangan 200 volt
dan 300 volt berturut-turut sebesar 1,988 x 10-5 m dan 2,295 x 10-5 m. Jika dirata-rata dari kedua jari-jari itu maka dihasilkan
jari-jari sebesar 2,142 x 10-5m. Muatan tiap butiran pada variasi tegangan 200 volt dan
300 volt berturut-turut sebesar 4,696 x 10-18 C dan 5,872 x 10-18 C. Jika dirata-rata dari ketiga muatan itu
maka dihasilkan rata-rata muatan sebesar 5,284 x 10-18C. Banyaknya muatan
tiap butiran yaitu 32,984 muatan.
I. PENDAHULUAN
Dengan menggunakan beberapa eksperimen yang telah dilakukan
para ahli, dapat diketahui bahwa muatan listrik juga terdapat pada molekul
udara. Pada tahun 1909
Robert A. Milikan melakukan percobaan tentang tetes minyak milikan. Pada
percobaan ini, minyak disemprotkan pada lubang, sehingga butiran-butiran kecil dapat dilihat dengan
menggunakan mikroskop. Pengukuran dilakukan tidak jauh dari lubang dimana
kecepatannya sudah stasioner. Dari hasil pengamatan ternyata semua muatan
butiran selalu merupakan kelipatan bulat dari suatu faktor, yaitu muatan
elektron, yang besarnya 1.602192x10-19 C.[1].
Fluida memiliki gesekan internal yang besarnya
tertentu disebut viskositas dan dilambangkan dengan η. Sebuah benda yang bergerak dalam
fluida yang memiliki viskositas lebih tinggi akan lebih lambat mengalir
dibandingkan cairan yang viskositasnya lebih rendah. Hal tersebut karena gaya
geseknya lebih besar. Faktor-faktor yang mempengaruhi viskositas antara lain
koefisien kekentalan zat car, massa jenism bentuk atau besar partikel. Selain
itu suhu juga berpengaruh. Semakin tinggi suhu cairan semakin kecil
viskositasnya, begitu juga sebaliknya.[3].
Viskositas erat kaitannya dengan
hukum stokes. Hukum stokes juga berkaitan dengan eksperimen Milikan. Persamaan untuk gaya kekentalan tidak akan kita
rumuskan langsung berdasarkan hokum aliran fluida kental. Besaran – besaran
yang mempengaruhi gaya itu ialah viskototas η fluida yang bersangkutan,
jari-jari bola, dan kecepatan relative terhadap fluida,
Fs = 6 η π r υ……………...……(1.1). [4].
Gambar
1.1. Prinsip bola jatuh. [2].
Percobaan ini menggunakan prinsip bola jatuh, dimana
bola yang dijatuhkan dari permukaan kedalam sebuah wadah berisi cairan akan
mengalami gerakan jatuh ke bawah karena gaya gravitasi. Pada saat awal hingga
tertentu gerakan bola yang jatuh dipercepat. Namun pada saat tertentu hingga
akhir gerakan bola diperlambat. Didalam fluida yang diam, suatu benda akan
mengalami gaya keatas atau gaya apung sebesar berat fluida yang dipindahkannya
yang disebut sebagai gaya Archimedes,
Fa = ρzat cair vb g
…………….…….(1.2)
Dimana
suatu benda yang tercelup dalam fluida akan diapungkan ke atas oleh gaya apung.
[2].
Penggunaan medan listrik, menurut Faraday, suatu medan
listrik keluar dari setiap muatan dan menyebar ke seluruh ruangan. Ketika
muatan kedua diltetakkan di dekat yang pertama, ia akan merasakan gaya yang
disebabkan oleh adanya medan listrik di tempat itu. Medan listrik bila di
lokasi muatan kedua dianggap berinteraksi langsung dengan muatan ini untuk
menghasilkan gaya. Medan listrik didefinisikan sebagai gaya pada muatan.
Fe = E q ………………………….(1.3)
Jika butiran minyak berada diantara
dua plat yang memiliki medan listrik, maka desar medan listrik itu adalah
E = v / d
……………………..….(1.4)
Dimana v adalah tegangan listrik, dan
d adalah diameter plat. Penyebab medan listrik adalah muatan listrik, sehingga
pengukuran kuat medan listrik dengan menempatkan muatan pengetes menyebabkan
perubahan kuat medan listrik. .[5].
Untuk mengetahui jari-jari butiran
minyak pada percobaan tetes milikan ini, dapat menggunakan persamaan gaya,
yaitu penjumlahan gaya keatas dan kebawah adalah nol. Sehingga pada saat
butiran minyak bergerak turun, dapat diketahui bahwa besar gaya berat minyak
sama dengan gaya apung dan gaya stokes yang bergerak ke atas. Sehingga
didapatkan persamaan untuk mengetahui besar jari-jari minyak,
……………………. (1.5)
Nilai kecepatan butirab minyak bisa didapatkan dari waktu dan jarak
yang ditempuh
tetesan minyak, maka dapat
dihitung kecepatan tetes butiran minyak dengan perumusan :
…………..………..(1.6)
Dan saat butiran minyak bergerak
naik, didapatkan persamaan untuk menghitung besar muatan elektron. Dengan
jumlah gaya keatas sama dengan jumlah gaya kebawah, yaitu besar gaya apung dan
gaya listrik adalah sama dengan gaya stokes dan gaya berat minyak, sehingga
diperoleh persamaan
……(1.7)
banyak muatan tiap
butiran dapat dihitung dengan persamaan:
…………………….(1.8)
Tetes minyak
milikan adalah percobaan yang menunjukkan bahwa muatan elektron bersifat
diskrit yaitu gaya ke bawah pada tetes minyak milikan (percepatan ke bawah)
akan terhambat oleh suatu gaya Stokes (gaya penghambat). Percobaan ini
dilakukan dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya
listrik pada suatu tetes minyak kecil yang berada diantara dua buah plat
konduktor.[1].
II. METODE
Pada percobaan tetes minyak milikan ini, digunakan
beberapa alat dan bahan yaitu Milikan oil apparatus yang berfungsi untuk
alat utama pada percobaan ini, sprayer yang berfungsi sebagai alat penyemprot
minyak ke Milikan oil apparatus, minyak parafin sebagai obyek yang
diamati, sumber cahaya yang berfungsi untuk mengionisasi butiran minyak serta
untuk memberikan penerangan agar obyek yang diamati dapat terlihat oleh
mikroskop, dan yang terakhir adalah stopwatch yang digunakan untuk
mengukur waktu yang diperlukan butiran minyak untuk naik ataupun turun.
Gambar 2.1.
Rangkaian alat percobaan tetes minyak Milikan.
Gambar 2.1.
Percobaan tetes minyak Milikan.
Setelah peralatan dirangkai seperti gambar 2.1,
sehingga akan terlihat seperti gambar 2.2. kemudian alat Milikan oil
apparatus dinyalakan dan sumber cahaya diatur agar butiran minyak dapat
terlihat di mikroskop. Lalu tegangan input diatur, pada tegangan input
digunakan 2 variasi yaitu 200 V dan 300 V. Setelah itu minyak parafin
disemprotkan kelubang dengan digunakan sprayer. Kemudian diamati melalui
mikroskop dan ditetapkan salah satu butiran minyak untuk dijadikan obyek
pengamatan. Karena bayangan pada mikroskop bersifat nyata, terbalik,
diperbesar, maka pada saat butiran minyak turun akan terlihat naik pada
mikroskop dan begitu juga sebaliknya. Pada saat butiran minyak turun (pada
mikroskop naik) diukur waktu yang diperlukan untuk menempuh 1 batas jarak yang
berjarak 0,5 mm. Ketika telah menyentuh batas yang ditentukan, tegangan
diaktifkan dengan menggerakkan keatas tombol pada alat milikan oil apparatus.
Maka seketika minyak akan bergerak keatas (pada mikroskop kebawah) dan diukur
waktunya menggunakan stopwatch. Percobaan
ini dilakukan sebanyak 7 kali pengulangan. Setelah itu digunakan variasi
tegangan yang lain dan dilakukan langkah yang sama seperti sebelumnya.
Percobaan tetes minyak milikan memiliki output
kuantitatif yaitu berupa waktu tempuh butiran untuk naik dan turun dalam jarak s diantara batas garis atas dan
garis bawah pada lensa mikroskop. Nilai dari jarak dan waktu tersebut nantinya
akan digunakan untuk menghitung besar jari-jari tetesan. Kemudian setelah
didapatkan jari-jari, maka dapat ditentukan nilai muatan butiran minyak.
Gambar
2.3. flowchart percobaan tetes minyak Milikan.
III. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN
Setelah dilakukan percobaan, didapatkan data waktu
tempuh butiran untuk naik dan turun pada setiap tegangan sumber. Berikut adalah
tabel hasil percobaan tetes minyak milikan.
Tabel 1. Data waktu tempuh naik
dan turun suatu butiran minyak
Tegangan Input (V)
|
t naik (s)
|
t turun (s)
|
200
|
5,33
|
6,3
|
3,19
|
5,76
|
|
3,31
|
7,56
|
|
4,76
|
4,05
|
|
2,65
|
4,3
|
|
3,26
|
6,9
|
|
1,53
|
2,8
|
|
300
|
1,47
|
2,52
|
2,82
|
7,38
|
|
1,25
|
4,21
|
|
2,12
|
5,57
|
|
1,15
|
4,22
|
|
1,6
|
3,05
|
|
1,78
|
2,35
|
Berdasarkan data pada tabel 1, waktu tempuh butiran
minyak untuk turun relatif lebih cepat daripada waktu tempuh untuk naik
walaupun ada sebagian data pada tegangan 200V yang tidak demikian. Waktu untuk
turun lebih cepat daripada waktu untuk naik karena butiran minyak hanya
dipengaruhi gaya gravitasi bumi sedangkan saat naik butiran minyak dipengaruhi
gaya listrik yang arahnya ke atas, resultan gaya gravitasi dan gaya listrik
pada saat butiran naik menyebabkan gerak butiran ke atas membutuhkan waktu
lebih cepat daripada untuk turun.
Tabel 2. Hasil perhitungan
kecepatan naik dan kecepatan turun butiran minyak.
Tegangan Input (Volt)
|
kecepatan naik
(m/s)
|
kecepatan turun
(m/s)
|
200
|
9,381 x 10-5
|
7,936 x 10-5
|
15,674 x 10-5
|
8,681 x 10-5
|
|
15,105 x 10-5
|
6,613 x 10-5
|
|
10,504 x 10-5
|
12,345 x 10-5
|
|
18,868 x 10-5
|
11,627 x 10-5
|
|
15,337 x 10-5
|
7,246 x 10-5
|
|
32,679 x 10-5
|
17,857 x 10-5
|
|
300
|
34,014 x 10-5
|
19,841 x 10-5
|
17,731 x 10-5
|
6,775 x 10-5
|
|
40 x 10-5
|
11,876 x 10-5
|
|
23,584 x 10-5
|
8,976 x 10-5
|
|
43,478 x 10-5
|
11,848 x 10-5
|
|
31,125 x 10-5
|
16,393 x 10-5
|
|
28,089 x 10-5
|
21,276 x 10-5
|
Untuk menghitung jari-jari butiran minyak dihitung
terlebih dahulu kecepatan naik dan kecepatan turun butiran, dengan menggunakan
persamaan (1.6) seperti pada tabel 2. Setelah diperoleh nilai kecepatan,
kemudian dapat dicari jari-jari butiran minyak dengan menggunakan persamaan (1.5),
serta besar muatan butiran minyak dengan menggunakan persamaan (1.7), Data
hasil perhitungan jari-jari dan besar muatan diperlihatkan dalam tabel 3.
Tabel 3. Hasil perhitungan
jari-jari butiran minyak, muatan butiran minyak, dan jumlah muatan tiap butiran
minyak.
Tegangan Input
(Volt)
|
Jari-jari
(m)
|
Muatan e-
(
C )
|
200
|
1,767 x 10-5
|
2,525 x 10-18
|
1,848 x 10-5
|
1,848 x 10-18
|
|
1,613 x 10-5
|
1,613 x 10-18
|
|
2,204 x 10-5
|
2,204 x 10-18
|
|
2,139 x 10-5
|
5,383 x 10-18
|
|
1,689 x 10-5
|
3,14 x 10-18
|
|
2,651 x 10-5
|
1,105 x 10-18
|
|
300
|
2,795 x 10-5
|
8,279 x 10-18
|
1,633 x 10-5
|
2,201 x 10-18
|
|
2,162 x 10-5
|
6,17 x 10-18
|
|
1,88 x 10-5
|
3,366 x 10-18
|
|
2,159 x 10-5
|
6,572 x 10-18
|
|
2,541 x 10-5
|
6,657 x 10-18
|
|
2,894 x 10-5
|
7,858 x 10-18
|
Tabel
4. Hasil perhitungan banyak muatan elektron dalam satu butiran minyak.
Tegangan input (V)
|
Jari-jari
(m)
|
muatan
( C )
|
n
(muatan)
|
200
|
1,988 x 10-5
|
4,696 x 10-18
|
29,313
|
300
|
2,295 x 10-5
|
5,872 x 10-18
|
36,654
|
rata-rata
|
2,142 x 10-5
|
5,284 x 10-18
|
32,984
|
Percobaan ini menggunakan minyak
parafin dan dengan variasi tegangan yang digunakan yaitu 200 volt dan 300 volt. Pada percobaan ini dibutuhkan cahaya, karena selain
untuk menerangi obyek yang akan diamati, cahaya juga berfungsi sebagai pengion
butiran minyak yang jatuh di dalam tabung. Ionisasi menghasilkan
elektron yang melekat pada butiran minyak, sehingga butiran minyak menjadi
bermuatan listrik. Butiran minyak ada yang menyerap satu, dua, atau
lebih elektron. Jika pelat logam diberi beda potensial dengan pelat bawah
sebagai kutub negatif, maka tetes minyak yang bermuatan negatif akan mengalami
gaya tolak listrik. Tetes minyak yang mengikat lebih banyak elektron akan
tertolak lebih kuat. Pada saat switch pembalik digerakkan maka butiran minyak akan
mengikuti gerakan switch pembalik yaitu tetes minyak akan naik jika
switch pembalik digerakkan ke atas atau ke arah (+) dan akan turun jika switch
pembalik dilepaskan atau digerakkan ke bawah. Namun pada percobaan ini,
mikroskop yang digunakan tidak memiliki lensa pembalik dengan sifat bayangan
yang dihasilkan mikroskop adalah nyata, terbalik, dan diperbesar, sehingga gerakan
butiran yang teramati berkebalikan dengan gerak sesungguhnya.
Pada saat percobaan, ditemukan kendala –
kendala untuk mengamati obyek, diantaranya yaitu ketika butiran minyak yang
ditetapkan ternyata salah (+), maka ketika diberi medan, maka butiran tersebut
akan bergerak turun karena medan listrik bersifat negatif. Dan juga ketika
butiran minyak yang ditetapkan pecah saat bergerak turun atau naik, sehingga
dilakukan pengamatan kembali untuk menentukan butiran minyak yang
diamati. Dari perhitungan rata-rata
diperoleh jari-jari butiran minyak pada variasi tegangan
200 volt dan 300 volt berturut-turut sebesar 1,988 x 10-5 m dan 2,295 x 10-5 m. Jika dirata-rata dari kedua jari-jari itu maka dihasilkan
jari-jari sebesar 2,142 x 10-5m. Muatan tiap butiran pada variasi tegangan 200 volt dan
300 volt berturut-turut sebesar 4,696 x 10-18 C dan 5,872 x 10-18 C. Jika
dirata-rata dari ketiga muatan itu maka dihasilkan rata-rata muatan sebesar 5,284 x 10-18C. Banyaknya muatan tiap butiran
yaitu 32,984 muatan.
Data yang didapatkan pada
percobaan ini tidak sepehuhnya sempurna dan masih ada eror, eror dapat
disebabkan oleh sulitnya menentukan butiran minyak yang berkecepatan stasioner
secara konstan, terkadang praktikan menentukan suatu butiran minyak pada saat
bergerak turun namun saat bergerak naik menentukan dengan butiran minyak yang
berbeda karena butiran minyak yang pertama pecah.
Tabel 5. Hasil perhitungan eror.
Eror nilai q pada pengulangan ke-
|
tegangan input (V)
|
|
200
|
300
|
|
1
|
0,937
|
0,981
|
2
|
0,957
|
0,927
|
3
|
0,945
|
0,974
|
4
|
0,961
|
0,952
|
5
|
0,970
|
0,976
|
6
|
0,949
|
0,976
|
7
|
0,986
|
0,980
|
eror rata-rata
|
0,958
|
0,967
|
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan kesimpulan bahwa semakin besar beda potensial semakin kecil waktu yang dibutuhkan butiran untuk naik maupun turun sehingga semakin besar kecepatannya. Dari perhitungan rata-rata diperoleh
jari-jari butiran minyak sebesar 2,142 x 10-5m. Muatan tiap butiran sebesar 5,284 x 10-18C. Banyaknya muatan tiap butiran
yaitu 32,984 muatan.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium,
Mahardika, Devi Eka S.A., Maria Fransisca G., Yovanita N. yang telah
membimbing dalam percobaan tetes
minyak Milikan, serta
terimakasih kepada teman-teman satu tim atas kerja samanya dalam melakukan
praktikum tersebut.
DAFTAR PUSTAAKA
[1] Alonso M, Finn. 1992. Dasar-Dasar Fisika
Universitas Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga.
[2] Dosen – Dosen Fisika. 2012. Fisika I
Kinetika Dinamika Getaran Panas. Surabaya: ITS.
[3] Giancoli, Douglas. C. 2001. Physics. USA:
Pearson Prentice Hall.
[4] Sears dan Zemansky. 1962. Fisika untuk
Universitas. Bandung: Bina Cipta.
[5] Tipler, Paul. A. 1992. Fisika untuk Sains
dan Teknik 2. Jakarta: Erlangga.
Posting Komentar