MUATAN
ELEKTRON DAN PERCOBAAN TETES MINYAK MILLIKAN
Mohamad
Ilyas*, Chairuni syah
*) Mahasiswa pada Jurusan Fisika
Fak. Sains dan Teknologi.
UIN Alauddin Makassar
Abstrak:
percobaan muatan elektron dan tetes minyak milikan disebut juga sebagai
percobaan oil-drop karena dirancang untuk mengukur muatan listrik. Muatan
listrik sebagai muatan elementer dibawa oleh partikel dapat dihitung dengan
mengukur gaya yang bekerja pada sebuah medan listrik yang diketahui nilainya. Percobaan ini bertujuan untuk
mengukur waktu naik turunnya tetesan minyak dengan berbagai beban dan pada
tegangan yang berbeda, serta menentukan jari-jari dan muatan tetesan minyak.
Adapun alat dan bahan yang digunakan yaitu millikan apparatus, multimeter,
power supply, stopwatch, botol kaca, tombol polaritas untuk millikan piranti,
dasar tumpuan kaki tiga, stand tube, circular level, beberapa kabel penghubung
dan oil millikan secukupnya. Analisis dari percobaan Robert
Andrew Millikan bahwa nilai muatan elementer electron adalah 1,6 x 10-19C.
Konstanta yang didapatkan tersebut diperoleh dari gaya-gaya yang bekerja pada
partikel ketika berada pada daerah medan listrik (daerah kedua plat),
diantaranya ada gaya gesek udara dengan partikel, gaya gravitasi pada partikel,
dan gaya oleh medan listrik serta gaya stokes. Pada
pengamatan di dapatkan jari-jari secara berurutan yaitu 6.44E-08, 3.07E-07, 4.82E-07,
4.44E-07, 3.59E-07 dan 4.18E-07.
Dan ditemukan nilai berkas muatan elektron secara berurutan adalah
4.44E-21, 7.45E-20, 1.68E-19, 1.03E-19, 5.24E-20, dan 7.93E-20.
Kata kunci : waktu naik,
waktu turun, tetesan minyak, muatan elektron
I.
PENDAHULUAN
A.
Latar
Belakang
Elektron merupakan suatu dasar penyusun atom. Inti atom
terdiri dari elektron(bermuatan negatif) dan proton(bermuatan positif).
Pengukuran muatan elektron dilakukan oleh ilmuwan fisika Amerika Robert Milikan
pada 1909 dan dipublikasikan pada tahun 1911. Pengukuran yang dilakukan R.
Milikan mampu mendapatkan nilai muatan untuk 1-150 ion dengan batas kesalahan
kurang dari 0.3%. metode pengukuran muatan listrik elektron oleh milikan adalah
dengan membuat sebuah sistem/alat yang dibuat dengan medan listrik untu
mencegah tetesan minyak jatuh karena gravitasi.
Percobaan milikan disebut sebagai percobaan oil-drop karena dirancang
untuk mengukur muatan listrik. Muatan listrik sebagai muatan elementer dibawa
oleh partikel yang dapat dihitung dengan mengukur gaya yang bekerja pada
partikel pada sebuah medan listrik yang diketahui nilainya. Walaupun relative
lebih mudah untuk menghasilkan medan listrik, gaya yang bekerja oleh medan pada
partikel pembawa muatan hanya satu dari beberapa elektron yang sangat kecil.
Sebagai contoh, 1,6 x 10-14 Newton pada sebuah partikel berisi satu elektron.
Gaya ini dibandingkan dengan gaya gravitasi pada partikel dengan massa 10-12 gram.Pada
percobaan Milikan, minyak jatuh dengan percepatan tetapi dengan adanya gaya
gesekan sehingga kecepatan minyak tetap (kecepatan termal). Jika kedua plat
diberi tegangan, maka partikel (tetesan minyak) yang merupakan partikel
elektron (+) sedangkan yang bergerak kebawah adalah proton (-). Tetesan yang
mengalami ke atas dapat berupa gaya stokes, gaya Archimedes, dan gaya gerak ke
bawah. Selain itu juga menyeimbangkan gaya-gaya antara gaya gravitasi dan gaya
listrik pada suatu tetes kecil minyak yang berada diantara dua plat konduktor.
B.
Rumusan
Masalah
Berdasarkan
uraian di atas, maka permasalahan yang dikaji dalam percobaan ini adalah:
1. Bagaimana
cara mengukur waktu naik turunnya tetesan minyak dengan berbagai beban pada
tegangan yang berbeda?
2. Berapa
nilai jari-jari dan muatan tetesan minyak?
C.
Tujuan
Percobaan
Tujuan
yang ingin dicapai pada percobaan ini adalah:
1. Mengukur
waktu naik turunnya tetesan minyak dengan berbagai beban pada tegangan yang
berbeda.
2. Menentukan
jari-jari dan muatan tetesan minyak.
D.
Manfaat
Manfaat
yang dapat diperoleh dari percobaan ini adalah:
1. Memberikan
informasi kepada para mahasiswa tentang cara mengukur waktu naik turunnya
tetesan minyak dengan berbagai beban pada tegangan yang berbeda.
2. Memberikan
informasi kepada para mahasiswa tentang cara menentukan jari-jari dan muatan
tetesan minyak.
II.
TINJAUAN
PUSTAKA
Salah
satu sifat yang paling penting dari suatu bahan adalah densitas (density)nya,
didefinisikan sebagai massa per satuan volume. Bahan yang homogeny seperti es
atau besi memiliki densitas yang sama pada setiap bagiannya. Jika sebuah bahan
yang materialnya homogeny bermassa m memiliki volume V, densitasnya ρ adalah
(definisi densitas) (II.1)
Secara umum, densitas
bahan tergantung pada factor lingkungan seperti suhu dan tekanan. Satuan SI
untuk densitas adalah kilogram per meter kubik (1 kg/m3). Dalam
satuan cgs adalah gram per centimeter kubik (1 gr/cm3) yang sering
digunakan (Young dan Freedman, ).
Robert A. Milikan
melakukan percobaan yang dikenal dengan nama percobaan oil-drop atau tetes
minyak Milikan. Dengan menyemprotkan minyak ke dalam ruang antar pelat
kapasitor dan mengamati gerakan tetes minyak dengan mikroskop (Beiser, 1992).
Tetes minyak milikan adalah merupakan percobaan yang menunjukkan bahwa
muatan elektron bersifat diskrit yaitu gaya ke bawah pada tetes 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 kecil minyak yang berada diantara dua buah
pelat konduktor.” (Kennet Krane, 1992).
Sebagaimana
telah diketahui, gaya gesekan antara permukaan benda padat dengan fluida medium
di mana benda itu bergerak akan sebanding dengan kecepatan relatif gerak benda
itu terhadap medium. Pada dasarnya, hambatan gerakan benda di dalam fluida itu
disebabkan oleh gaya gesekan antara bagian fluida yang melekat ke permukaan
benda dengan bagian fluida di sebelahnya. Di mana gaya gesekan itu sebanding
dengan koefisien viskositas η fluida. Menurut (Soedojo, 1999) Stokes merumuskan
gaya gesekan itu diberikan oleh apa yang disebut rumus Stokes:
F = 6 ᴫ r η v
(II.2)
Sebuah muatan
tunggal menghasilkan medan listrik dalam ruang di sekelilingnya, tetapi medan
listrik ini dapat mengerahkan sebuah gaya netto pada muatan yang
menciptakannya; ini adalah sebuah contoh dari prinsip umum bahwa sebuah benda
tidak dapat mengerahkan sebuah gaya netto pada dirinya sendiri (jika prinsip
ini tidak berlaku, Anda akan mampu mengangkat diri Anda sendiri ke langit-langit
dengan ikat pnggang Anda ke atas). Gaya listrik pada sebuah benda yang
bermuatan dikerahkan oleh medan listrik yang diciptakan oleh benda bermuatan
lainnya. Gaya adalah sebuah kuantitas vektor, sehingga medan listrik juga
merupakan sebuah kuantitas vektor. Medan listrik E vektor didefinisikan di
sebuah titik sebagai gaya listrik F0 vektor yang dialami oleh sebuah
muatan uji q di titik itu dibagi dengan muatan q0 (Young &
Freedman, 2001).
Naik dan turunnya tetesan minyak yang bermuatan pada medan listrik
dari pengamatan kapasitor dan penentuan kecepatan.
Kecepatan turun di medan listrik v1
Kecepatan naik dimedan listrik v2
Tegangan kapasitor V
Muatan tetesan Q = n e
Jari-jari tetesan r
Massa jenis minyak silicon 
Viskositas
udara 
Percepatan
gravitasi 
Massa
jenis udara 
Gaya F yang bekerja pada sebuah bola dengan
jari-jari r dan kecepatan v dalam η koefisien viskositas zat cair, adalah:
(Hukum Stokes) (II.3)
Tetesan minyak dari
massa m, volume v dan massa jenis 
berada pada
medan gravitasi bumi :
berada pada
medan gravitasi bumi :
(II.4)
Gaya apung
(Archimedes) ditentukan dengan :
(II.5)
Gaya medan
listrik ditentukan dengan :
(II.6)
Dari jumlah
gaya yang bekerja pada suatu partikel bermuatan, waktu naik dan turun kecepatan tetesan diperoleh :
(II.7)
(II.8)
Penjumlahan dan pengurangan persamaan ini memberikan jari-jari dan muatan
tetesan.
Dengan
(II.9)
Dengan
(II.10)
Sehingga diperoleh :
(Tim Dosen, 2015).
Gaya tekan pada
bagian yang lebih dalam tentunya lebih besar (karena tekanannya lebih besar).
Karena itu total gaya tekan yang bekerja pada seluruh permukaan benda tadi akan
menimbulkan total gaya ke atas. Besar gaya ke atas tadi bisa diperoleh sebagai
berikut. Seandainya pada tempat benda tadi digantikan dengan fluida yang sama
dengan lingkungannya, maka tentunya akan berada dalam keadaan kesetimbangan.
Sehingga total gaya ke atas tadi tentunya sama dengan berat fluida yang menggantikan benda tadi. Prinsip ini
terkenal sebagai prinsip Archimedes. Jadi pada sebuah benda yang tercelup ke
dalam suatu fluida akan terdapat total gaya ke atas (gaya apung) yang besarnya
sama dengan berat fluida yang ditempati benda tadi (Satriawan,2007).
Kecepatan gerak turun dan naiknya tetes minyak dapat dihitung
dengan persamaan:
v = 
(II.11)
(II.11)
Jari-jari butiran minyak dapat
dihitung dengan menggunakan rumus:
r = C2 
(II.12)
(II.12)
Muatan
tiap butiran dapat dihitung dengan perumusan:
Q = n. e
(II.13)
Percobaan
Milikan ini membuktikan bahwa muatan elektron bersifat distrik, tidak muncul
dalam sembarang harga (Kenneth, 1992).
III.
METODOLOGI
PERCOBAAN
A.
Waktu
Dan Tempat
Praktikum
ini dilaksanakan pada tanggal 16 Januari 2016 di Laboratorium
Elektronika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Alauddin
Makassar.
B.
Alat
Dan Bahan
Alat dan bahan
yang digunakan pada percobaan adalah multimeter, power supply
0-600 VDC, stopwatch. Sedangkan bahan–bahan yang digunakan dalam percobaan ini
adalah milikan apparatus, botol kaca 18 x 18 mm kemasan 50 pcs, dasar tumpuan
kaki tiga, stand tube, circular level, kabel penghubung 32 A 50 cm merah, kabel
penghubung 32 A 100 cm, merah, kabel penghubung 32 A 100 cm, biru, kabel
penghubung 32 A 750 cm, hitam, kabel penghubung 32 A 750 cm, hijau-kuning, oil
milikan secukupnya.
C.
Prosedur
Kerja
Prosedur kerja dari percobaan ini
adalah :
1.
Mengatur tegangan kapasitor untuk nilai 300 v
2.
Memperhatikan dan mengamati tetesan minyak.
3.
Memilih tetesan minyak dengan mengoprasikan saklar
komutator tetesan bergerak antara graduation tertinggi dan terendah pada
mikrometer lensa mata dan memperbaiki fokus mikroskop.
4.
Memilih tetesan minyak yang bermuatan untuk s1 sama
dengan 10 div.
5.
Menghitung waktu naik dan waktu turun dari tetesan
minyak tersebut dengan stopwatch.
6.
Mengulangi langkah 4,5 dan 6 untuk s1 15 div dan 20
div.
7.
Mengatur tegangan untuk nilai 400 v
8.
Mengulangi semua langkah dengan tegangan 400 v dan s1
20 div, 25 div dan 30 div.
9.
Mencatat hasil pengamatan pada table pengamatan.
IV.
HASIL
DAN PEMBAHASAN
A.
Hasil
Pengamatan
Tabel
IV.1: Hasil Pengamatan Tetes Minyak Millikan
|
U
V
|
t1
(s)
|
S1
(div)
|
t2
(s)
|
S2
(div)
|
|
300
|
12,03
|
10
|
12,55
|
10
|
|
300
|
4,61
|
15
|
6,07
|
15
|
|
300
|
3,95
|
20
|
6,39
|
20
|
|
400
|
4,46
|
20
|
7,03
|
20
|
|
400
|
8,83
|
25
|
14,21
|
25
|
|
400
|
8,09
|
30
|
13,31
|
30
|
B.
Analisis
Data
|
U
|
t1
|
S1
|
t2
|
S2
|
s1
|
s2
|
v1
|
v2
|
v1 - v2
|
R
|
Q
|
|
e
|
|
|
V
|
(s)
|
(div)
|
(s)
|
(div)
|
mm
|
mm
|
m/s
|
m/s
|
m/s
|
M
|
As
|
n
|
As
|
|
|
300
|
12.03
|
10
|
12.55
|
10
|
0.29667
|
0.29667
|
2.46606E-05
|
2.36388E-05
|
4.82994E-05
|
6.44E-08
|
4.44E-21
|
1
|
1.68E-19
|
|
|
300
|
4.61
|
15
|
6.07
|
15
|
0.445
|
0.445
|
9.65293E-05
|
7.33114E-05
|
0.000169841
|
3.07E-07
|
7.45E-20
|
1
|
1.68E-19
|
|
|
300
|
3.95
|
20
|
6.39
|
20
|
0.59333
|
0.59333
|
0.000150211
|
9.28534E-05
|
0.000243064
|
4.82E-07
|
1.68E-19
|
1
|
1.68E-19
|
|
|
400
|
4.46
|
20
|
7.03
|
20
|
0.59333
|
0.59333
|
0.000133034
|
8.44001E-05
|
0.000217434
|
4.44E-07
|
1.03E-19
|
1
|
3.32E-19
|
|
|
400
|
8.83
|
25
|
14.21
|
25
|
0.74167
|
0.74167
|
8.3994E-05
|
5.21933E-05
|
0.000136187
|
3.59E-07
|
5.24E-20
|
1
|
1.68E-19
|
|
|
400
|
8.09
|
30
|
13.31
|
30
|
0.89
|
0.89
|
0.000110012
|
6.6867E-05
|
0.000176879
|
4.18E-07
|
7.93E-20
|
1
|
1.68E-19
|
|
C.
Pembahasan
Elektron
merupakan partikel penyusun inti atom yang bermuatan negatif. Percobaan ini
menggunakan tetesan-tetesan minyak yang dibebankan dan dikenakan ke medan
listrik dan gravitasi antara plat kapasitor dipercepat dengan penerapan
tegangan. Muatan elementer ditentukan dari kecepatan dalam arah gravitasi dan
dalam arah yang berlawanan. Percobaan ini mengamati tetesan minyak yang
bergerak naik turun ketika ada pengaruh medan listrik. Gaya-gaya yang berlaku ketika tetesan
bergerak ke atas dan ke bawah adalah gaya gravitasi, Stokes, Archimedes, dan
gaya listrik.
Pada percobaan
ini digunakan tegangan 300 dan 400 v dengan pengamatan sebanyak enam kali.
Waktu tempuh tetesan minyak untuk bergerak naik dan turun yang diperoleh pada
percobaan ini bervariasi berdasarkan jarak tempuh dari tetesan tersebut. Dari
hasil jarak dan waktu tempuh diperoleh pula kecepatan dari tetesan minyak
ketika bergerak naik dan turun. Kecepatan tetesan minyak ketika bergerak turun
lebih cepat dari pada ke atas karena dipengaruhi oleh gaya gravitasi. Namun
pada alat gerakan tetesan minyak ke bawah dilihat ke atas.
Pada
percobaan ini diperoleh nilai muatan tetesan yang mendekati nilai muatan
elektron namun hal tersebut hanya terjadi pada data ketiga dan keempat yang
memilik orde -19 yaitu sebesar 1.68 x 10-19 C dan
1.03 x 10-19 C. Sedangkan nilai muatan elektron hitung yang
diperoleh pada percobaan ini mendekati nilai elektron yang sebenarnya dengan
memiliki orde -19. Sedangkan nilai elektron teori yaitu 1.68 x 10-19
C. Adanya perbedaan hasil pengukuran dan teori terjadi karena kesalahan
pengamatan dan pengukuran waktu gerak tetesan ketika proses pengambilan data.
V.
PENUTUP
A.
Kesimpulan
Kesimpulan
pada percobaan ini adalah:
1. Untuk
mengukur waktu naik turunnya tetesan minyak yaitu dengan memperhatikan skala
yang dilewati tetesan minyak dan menghitung waktunya. Waktu tempuh yang
dibutuhkan sebuah tetesan minyak untuk bergerak ke bawah lebih cepat dibanding
untuk bergerak ke atas. Hal tersebut terjadi karena adanya pengaruh gaya
gravitasi. Namun pada alat yang digunakan pengamatan dilihat terbalik, dimana
gerakan tetesan minyak ke bawah pada alat dilihat bergerak ke atas dan begitu
juga sebaliknya.
2. Pada
percobaan ditemukan jari-jari secara berurutan yaitu 6.44E-08, 3.07E-07,
4.82E-07, 4.44E-07, 3.59E-07 dan 4.18E-07. Dan ditemukan nilai berkas
muatan elektron secara berurutan adalah 4.44E-21, 7.45E-20,
1.68E-19, 1.03E-19, 5.24E-20, dan 7.93E-20.
B.
Saran
Saran yang
diberikan pada percobaan ini adalah sebaiknya alat yang digunakan rutin
dibersihkan agar ketika mengamati gerakan dari tetesan minyak pengamat dapat
lebih jelas untuk mengamati.
DAFTAR
PUSTAKA
Beiser, Arthur. (1992). Konsep Fisika
Modern. Jakarta: Erlangga.
Krane, Kenneth S. 1992. Fisika Modern, alih
bahasa : Hans J. Wospakrik dan Sofia Niksolihin.
Jakarta : Penerbit Universitas Indonesia.
Satriawan
, Mirza. 2007. Fisika Dasar. Jakarta:
erlangga
Tim Dosen. 2015.Penuntun
Praktikum Fisika Eksperimen 1. Makassar : UIN Alauddin
Young
dan Freedman. 2001. Fisika Universitas
edisi kesepuluh jilid 1. Jakarta: Erlangga
