LAPORAN FISIKA EKSPERIMEN : Tetes Minyak Milikan

Abstrak. Eksperimen tetes minyak milikan bertujuan untuk menentukan jari-jari dan muatan listrik sebuah tetes minyak serta menentukan muatan listrik dari elektron. Eksperimen ini dilakukan dengan cara minyak disemprotkan ke dalam plat sejajar Milikan setelah itu diamati dengan mikroskop dipilih satu butiran yang diukur t naik dan t turun selama tiga kali putaran dan mengukur tegangan ketika tetes minyak diam dan mulai naik. Setelah itu mencari v kecepatan guna mencari r (jari-jari) dan q (muatan). Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan jari-jari tetes minyak r=(7,246±0,0005) 〖10〗^(-6) m. Jumlah muatan pada variasi tegangan 296,7 volt dan 600 volt berturut-turut adalah (7,31±0,012)〖10〗^(-18) C dan (3.113±0.625) 〖10〗^(-20) C. Muatan electron berdasarkan perhitungan pada variasi tegangan tegangan 296,7 volt dan 600 volt berturut-turut sebesar 1,589x〖10〗^(-19) C dan 1,628x〖10〗^(-19) C sedangkan pada referensi sebesar (1,602x〖10〗^(-19) C). Kata Kunci: tetes minyak milikan, jari-jari tetes minyak, muatan butiran minyak,muatan electron, medan listrik.
Pendahuluan
Elektron merupakan partikel bermuatan negative. Semua konsep fisika yang berhubungan dengan hal yang bersifat mikroskopis maka akan disinggung sifat electron diantaranya nilai muatannya. Nilai muatan electron sangat penting dalam aspek kelistrikan misal tentang arus listrik yang dinyatakan sebagai muatan per waktu. Hal yang paling penting yakni bagaimana nilai muatan electron tersebut diperoleh. Kemudian Robert A. Milikan melakukan percobaan yang dikenal dengan nama percobaan tetes minyak Milikan.
Dengan menyemprotkan minyak paraffin ke ruang antar plat sejajar Milikan dan mengamati gerakan tetes minyak dengan mikroskop. Dengan mikroskop dapat diamati dan diukur kecepatan vertical tetes minyak tersebut. Setiap satu skala yang terlihat pada lensa okuler mikroskop dikonversi ke meter adalah s=x/1,875 〖10〗^(-4) m dengan x adalah jumlah skala.
Tetes minyak mengalami tiga gaya yang berbeda, yaitu gaya viskositas, gaya gravitasi, dan gaya listrik. Dari analisis ketiga gaya ini, dapat diturunkan suatu persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan muatan electron (q). Ketika tidak ada medan listrik E dalam dua keeping sejajar. Tetes minyak jatuh ke bawah hanya disebabkan oleh gaya gravitasi dan diperlambat oleh gaya gesek udara(gaya Stokes dan gaya Archimedes). Gaya-gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah:
Gaya gravitasi yakni gaya ke bawah yang dialami tetes minyak F_g=m_(minyak.).g
(1) Gaya gesek, gaya yang arahnya melawan gaya gravitasi dalam hal ini sama dengan gaya Stokes F_r=6πrηv_1 (
2) Gaya Archimedes, yakni gaya dengan arah ke atas F_A=m_(L.).g
(3) dengan m_minyak,m_L,η, r,v_1, masing-masing merupakan massa tetes minyak, massa udaradengan volum sama dengan tetes minyak, viskositas udara, jari-jari tetes minyak, dan kecepatan gerak tetes minyak ke bawah. Dari ketiga gaya tersebut didapat resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak yang memenuhi: m_minyak.g-6πrηv_1-m_(L.).g=0 (4) Bila 〖 m〗_minyak-m_(L.)=m, maka persamaan
(4) dapat ditulis menjadi: m_..g-6πrηv_1=0 (5) dengan m_..g merupakan berat tetes minyak setelah dikurangi oleh gaya Archimedes.
Bila ρ_minyak-ρ_L=ρ, dengan ρ_minyak,ρ_L, adalah rapat minyak tetes minyak dan rapat massa udara, maka dengan mengganti m=ρV=4/3 πr^3 ρ akan diperoleh resultan gaya tetes minyak : 4/3 πr^3 ρ-6πrηv_1=0 atau r=√((9ηv_1)/2ρg) (6)

Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian hingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan v_2. Bila tegangan antar plat U dan jarak antar kedua plat adalah d, maka E=U/d dan gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah: q.E-m.g-6πrηv_2=0 (7) atau q.U/d-4/3 πr^3 ρg-6πrηv_2=0 (8)
Untuk tetes minyak yang melayang diantara plat sejajar karena pengaruh medan listrik E, maka persamaan (8) menjadi: q.U/d-4/3 πr^3 ρg=0 (9)
Dari penjelasan di atas terlihat bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat digunakan untuk menentukan muatan electron: Mengukur kecepatan jatuh bebas v_1 sebelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan U_1, sehingga tetes minyak diam diantara dua plat sejajar. Formulasi metode ini dapat dilakukan dengan subtitusi persamaan (6) dan persamaan (9), sehingga diperoleh: q=η (6πdv_1)/U_1 √((9ηv_1)/2ρg) (10) dengan d=6mm Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak dalam ruang bebas medan listrik v_1dan kecepatan naik v_2 pada tegangan tentu U_2. Formulasi metode ini dilakukan dengan subtitusi persamaan (6) ke dalam persamaan (8) sehingga diperoleh: q=(v_1+v_2)√(v_1 )/U_2 η^(3/2) 18πd/√2ρg (11) Lalu nilai q yang diperoleh dari kedua persamaan di atas digunakan untuk menghitung banyak butiran dengan rumus: N=q/e^- dengan nilai e^-=1,602×〖10〗^(-19) C (12) Muatan electron merupakan muatan diskrit ( terkuantisasi), yaitu kelipatan bilangan bulat dari muatan dasar e (1,602x〖10〗^(-19) C).
Metode
Jenis praktikum tetes minyak milikan ini yakni kuantitatif. Hal ini dikarenakan output data yang dihasilkan berupa nilai waktu tetes minyak naik turun akibat pengaruh medan listrik yang didasari variasi tegangan sehingga nantinya digunakan untuk mencari nilai jari-jari butiran minyak serta muatannya. Pada percobaan ini yang diukur adalah waktu tempuh butiran untuk naik dari posisi tengah sebagai titik acuan sampai batas atas serta waktu tempuh untuk turun dari posisi batas atas kembali ke posisi semula. Sehingga nantinya akan didapatkan kecepatan yang nantinya digunakan untuk mencari nilai jari-jari butiran minyak serta muatan minyak dan elektronnya. Percobaan ini dilakukan dengan cara disiapkan alat dan bahan diantaranya mikroskop, sprayer, minyak paraffin, sumber cahaya, powes supply, stop watch dan system peralatan Milikan. Hasil dan Pembahasan Eksperimen tetes minyak Milikan ini dilakukan untuk menentukan jari-jari tetes minyak dan menentukan nilai muatan butiran minyak. Ketika minyak disemprotkan, karena butiran-butiran minyak bergerak menumbuk partikel cahaya sehingga electron pada butiran minyak tersebut memiliki energy yang didapatkan dari foton pada cahaya tersebut. Kemudian butiran-butiran minyak akan bergerak turun karena dipengaruhi oleh gaya gravitasi, kemudian satelah diberi medan butiran minyak akan bergerak naik, karena gaya dari luar berupa medan listrik tersebut cukup kuat sehingga nilainya lebih besar dari gaya gravitasi bumi yang arahnya ke bawah. Pada percobaan kali ini kita mengamati butiran minyak dengan menggunakan mikroskop. Sifat bayangan yang terbentuk pada lensa okuler mikroskop yaitu nyata, terbalik dan diperbesar. Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan diperoleh data sebagai berikut:
Table 2.1 : data hasil pengamatan NO Jumlah skala Waktu yang diperlukan t Tegangan t naik (s) t turun (s) U_1 (V) U_2 (V) 1. 10 9.83 6.26 280 600 2. 10 9.47 8.23 340 600 3. 10 7.87 270 600 Untuk menghitung jari-jari butiran minyak dihitung terlebih dahulu kecepatan naik dan kecepatan turun butiran Table 2.1 : kecepatan tetes minyak No Waktu yang diperlukan t Kecepatan butiran minyak (m/s) t naik (s) t turun (s) v_1 v_2 1. 9.83 6.26 (5,53±1,012) 〖10〗^(-5) m/s (7,16±6,34) 〖10〗^(-5) m/s 2. 9.47 8.23 3. 7.87Rata-rata t (9,65±0,183) (7,45±0,885)
Berdasarkan data pada table 2.1 waktu tempuh butiran miyak untuk bergerak turun relative lebih cepat daripada waktu tempuh untuk bergerak naik. Pada saat gerakan naik butiran minyak hanya dipengaruhi gaya gravitasi bumi, gaya Stokes dan gaya Archimedes. Dimana gaya stokes dan gaya Archimedes arah gayanya berlawanan dengan arah gerak butiran minyak sehingga gaya-gaya tersebut menghambat gerak butiran. Sedangkan saat gerakan turun butiran minyak dipengaruhi gaya listrik , gaya gravitasi bumi, gaya Stokes dan gaya Archimedes. Gaya listrik yang arahnya ke atas searah dengan gaya Archimedes tetapi berlawanan arah dengan gaya Archimedes dan gaya gravitasi. Sehingga resultan yang dialami butiran minyak tersebut menyebabkan gerak butiran ke bawah membutuhkan waktu lebih cepat. Adanya gerakan yang lebih cepat ini dikarenakan gaya luar yang terjadi pada butiran minyak, yaitu gaya listrik sangat besar sehingga menyebabkan gerak turunnya butiran lebih cepat. Gaya listrik yang dialami butiran minyak menunjukkan bahwa butiran minyak memiliki muatan. Hal ini terjadi karena pada saat paraffin disemprotkan menggunakan sprayer, butiran-butiran minyak bergesekan dengan pipa otomizer sehingga butiran minyak dapat dimuati.
Setelah diperoleh nilai kecepatan, kemudian dapat dicari jari-jari butiran minyak dengan menggunakan persamaan (6), muatan butiran minyak mengunakan persamaan (10 dan 11), jumlah electron pada butiran minyak mengunakan persamaan (12) dan muatan electron pada butiran minyak menggunakan persamaan (13)
Table 2.3 : hasil perhitungan jari-jari tetes minyak (r), muatan tetes minyak (q), jumlah electron pada butiran minyak (N) dan muatan electron pada butiran minyak (q_c) Jari-jari butiran minyak Dipengaruhi Tegangan U_1 Dipengaruhi Tegangan U_2 r (m) q (C) N q_c (C) q (C) N q_c (C) (7,246±0,0005) 〖10〗^(-6) 7,31±0,012)〖10〗^(-18) 46 1,589x〖10〗^(-19) (3.113±0.625) 〖10〗^(-18) 19 1,628x〖10〗^(-19)
Pada percobaan ini menggunakan minyak paraffin yang memiliki massa jenis 875,3kgm^(-3).Pada saat minyak paraffin disemprotkan dan masuk ke dalam ruang antar plat mengalami gerak jatuh bebas yang diakibatkan oleh gaya gravitasi. Saat butiran minyak jatuh terjadi gesekan terhadap udara ( fluida) dan cahaya lampu sehingga butiran minyak terionisasi. Ionisasi menghasilkan electron yang melekat akan melekat ke butiran minyak, sehingga tetes minyak menjadi bermuatan. Saat switch pembalik digerakkan ke atas maka tetes minyak yang bermuatan negative akan bergerak mengikuti gerakan switch pembalik yaitu tetes minyak akan mendekati plat kutub positif. Data yang diperoleh dari percobaan ini yaitu waktu saat tetes minyak naik dari batas garis bawah sampai batas garis atas dan waktu ketika tetes minyak turun dari batas garis atas ke batas garis bawah. Pada saat butiran naik waktu yang diperlukan lebih lama daripada saat butiran turun sehingga kecepatan saat naik lebih kecil daripada kecepatan saat turun. Dari perhitungan rata-rata diperoleh jari-jari tetes minyak sebesar r=(7,246±0,0005) 〖10〗^(-6) m, dan muatan electron sebesar 1,589x〖10〗^(-19) C pada tegangan 297 V dan 1,628x〖10〗^(-19) C pada tegangan 600V. Semakin kecil waktu yang dibutuhkan butiran minyak untuk naik dan turun maka semakin besar kecepatannya. Semakin besar kecepatan gerakan butiran minyak maka jari-jari tetesan minyak semakin besar akan menyebabkan muatan tiap butiran minyak juga semakin besar.
Kesimpulan
Berdasarkan percobaan yang telah dilakukan didapatkan jari-jari tetes minyak r=(7,246±0,0005) 〖10〗^(-6) m. Jumlah muatan pada variasi tegangan 296,7 volt dan 600 volt berturut-turut adalah (7,31±0,012)〖10〗^(-18) C dan (3.113±0.625) 〖10〗^(-20) C. Muatan electron berdasarkan perhitungan pada variasi tegangan tegangan 296,7 volt dan 600 volt berturut-turut sebesar 1,589x〖10〗^(-19) C dan 1,628x〖10〗^(-19) C sedangkan pada referensi sebesar (1,602x〖10〗^(-19) C).
Ucapan Terimakasih
Penulis mengucapkan terimakasih kepada Dosen pembimbing Fisika Eksperimental I yakni Bapak Andi Ahmad Zaidan, S.Si, M.Si yang telah membimbing praktikum dan terimakasih kepada teman-teman satu kelompok atas kerjasamanya dalam melakukan praktikum.
Referensi
Beiser, Arthur., 1987, Komsep Fisika Modern, 4nd ed, Erlangga Jakarta.
Hidayah, Latifatul., 2012,Tetes Minyak Milikan, Jurnal Praktikum Fisika Modern Tetes Minyak Milikan, 1-5.
Widodo, Aris., 2013, Percobaan Tetes Minyak Milikan, Jurnal Praktikum Fisika Modern, 1-4.
Zaidan, A., 2009, Pengantar Fisika Modern, tidak dipublikasikan.