161810201034_rp Ke 2_sinar Katoda.docx

1

BAB 1. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Sinar katoda adalah berupa cahaya yang berbentuk ganjil dan tidak terlihat yang dapat disebut dengan aliran elektron. Sinar katoda merupakan partikel dengan harga perbandingan e/m. sinar katoda ditembakkan dan dipercepat dengan diberikannya tegangan tinggi dan dikendalikan dengan medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil (Oxtoby, 2003). Percobaan sinar katoda dilakukan karena zaman sekarang banyak sekali alat elektronik yang menggunakan prinsip dari tabung sinar katoda seperti televisi dan osiloskop. Cara kerja tabung sinar katoda yaitu electron yang ada didalam tabung diarahkan menjadi electron secara terarah kemudian pancaran dapat difokuskan. Medan magnet berperan mengarahkan elektron kearah vertikal dan horizontal Percobaan sinar katoda menggunakan alat dan bahan diantaranya, peralatan pengukuran e/m, high voltage DC power supply, low voltage AC/DC power supply, digital voltmeter, dan kabel penghubung. Percobaan sinar katoda dilaksanakan dengan mempersiapakn alat yang sesuai dengan desain percobaan. Koil Hemholtz diputar untuk mengatur arus hemholtz ke posisi off, koil hemholtz dihubungkan dengan sumber tegangan rendah yaitu pada posisi nol. Filamen elektron gun dihubungkan dengan power supply bertegangan tetap, kemudian elektrode pemercepat dihubungkan dengan tegangan DC dan masing-masing sumber tegangan diletakkan pada posisi nol. Sumber tegangan dihidupkan setelah semua peralatan siap. Sumber tegangan diputar secara perlahan, kemudian filament akan mulai menyala. Tegangan elektroda pemercepat dinaikkan, kemudian amati lintasan berkas berwarna kebiru-biruan. Sumber tegangan koil hemholtz dinaikkan, kemudian amati perubahan yang terjadi pada lintasan berkas electron.

2

1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana cara mendapat rasio muatan dan massa elektron ? 2. Bagaimana pengaruh tegangan filament pada percobaan sinar katoda? 3. Bagaimana pengaruh tegangan elektroda pemercepat pada lintasan berkas elektron ? 4. Bagaimana pengaruh arus koil hemholtz pada lintasan berkas elektron ?

1.3 Tujuan Tujuan dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui cara mendapat rasio muatan dan massa electron. 2. Mengetahui pengaruh tegangan filament pada percobaan sinar katoda. 3. Menegtahui pengaruh tegangan elektroda pemercepat pada lintasan berkas elektron. 4. Mengetahui pengaruh arus koil hemholtz pada lintasan berkas elektron.

1.4 Manfaat Manfaat dari percobaan sinar katoda yaitu dapat mengetahui cara kerja tabung sinar katoda. Zaman sekarang banyak alat elektronik yang menggunakan prinsip kerja dari tabung sinar katoda, contohnya televisi. Prinsip kerja dari televisi yaitu dengan mengubah sinyal elektron dan magnetik menjadi gambar dan suara.

3

BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Sejarah Penemuan elektron telah dilakukan oleh J.J Thomson tahun 1897, eksperimen dilakukan menggunakan sinar katoda dan menemukan lucutan berkas pada tabung gas dengan membandingkan muatan listrik dengan massa sinar katoda yang ditembakkan. Sinar katoda merupakan partikel dengan harga perbandingan e/m. Sinar katoda ditembakkan dan dipercepat melalui tegangan tinggi dan dikendalikan oleh sepasang koil. Sinar katoda berupa cahaya yang berbentuk ganjil dan tidak terlihat dan bisa disebut dengan aliran elektron (Oxtoby, 2003).

2.1 Teori dan Persamaan Sinar katoda adalah berupa cahaya yang berbentuk ganjil dan tidak terlihat yang dapat disebut dengan aliran elektron. Sinar katoda merupakan partikel dengan harga perbandingan e/m. sinar katoda ditembakkan dan dipercepat dengan diberikannya tegangan tinggi dan dikendalikan dengan medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil (Oxtoby, 2003). Sinar electron digunakan dalam tabung sinar katoda, sinar katoda adalah sinar yang muncul keluar (electron) dari sebuah tabung ruang hampa. Tekanan pada tabung ruang hampa berpengaruh terhadap keluarnya sinar katoda, untuk tekanan rendah sinar katoda akan keluar sedangkan tekanan tinggi maka sinar katoda akan muncul secara berlebihan. Tabung ruang hampa memiliki dua bagian yaitu katoda dan anoda denagn fungsi yang berbeda ( Beiser dan Arthur, 1987). Menurut Tipler (2001), katoda akan berpijar jika dialiri arus listrik karena adanya tumbukan elektron, tumbukan tersebut mengakibatkan electron loncat keluar dari katoda dan memasuki medan magnet yang terdapat arus listrik. Emisi termionik terjadi ketika katoda dialiri arus listrik sedangkan emisi partikel terjadi karena adanya energy kinetik pada electron atau ion-ion yang ada didalam penghantar. Berkas mengalami dua gaya pada kondisi ini, yang salah satunya dipengaruhi oleh medan listrik dengan persamaan sebagai berikut :

4

𝑓𝐸 = 𝐸 × 𝑒

(2.1)

sedangkan gaya yang dipengaruhi oleh medan magnet dapat ditulis dengan persamaan sebagai berikut : 𝑓𝐻 = 𝐻 × 𝑒𝑉

(2.2)

dimana, f = gaya medan listrik (N) E = medan listrik e= Menurut Krane dan Kanneth (1982), Elektron yang bermasssa m bermuatan e dipercepat oleh beda potensial dan energi kinetik yang dimiliki elektron Ek = Ev. Persamaan yang diperoleh dari energi tersebut yaitu : 1

Ev = 2 m𝑣 2

(2.3)

Dimana, m = massa (kg) v = kecepatan (m/s) Elektron tersebut akan mengalami gaya kinetik saat didalam medan magnet. Arah kecepatan medan magnet akan tegak lurus terhadap medan magnet pada medan magnet yang seragam. Lintasan akan berbentuk lingkaran akibat adanya perubahan arah kecepatan electron dan tanpa mengubah kelajuannya yang disebabkan oleh gaya sentripetal. Persamaan gaya sentripetal dapat ditulis sebagai berikut : 𝐹𝑠 = m

𝑣2 𝑟

(2.4)

dimana, 𝐹𝑠 = gaya sentripetal ( m = massa (kg) v = kecepatan (m/s) r = jari-jari (m) Menurut Tipler (2001), partikel bermuatan yang bergerak dengan kecepatan v dalam medan magnet menimbulkan gaya Lorentz. Medan magnet yang digunakan dalam percobaa sinar katoda adalah kumparan Hemholtz dengan

5

jari-jari sama dan jarak kedua kumparan diberi aliran listrik. Jumlah lilitan kawat kumoparan Hemholtz bernilai n, dengan menggunakan persamaan Maxwell pertama dan keempat diperoleh persamaan untuk besar medan magnet sebagai berikut : 4 2

B = (5)3 𝜇ₒ

𝑛𝑙 𝑅

(2.5)

dimana : 𝜇ₒ = permeabilitas ruang hampa Menurut Surya Y (2009), gaya patikel akan menyimpang searah dengan gaya lorentz yang mempengaruhi. Gaya Lorentz sebuah muatan yang bergerak pada medan magnet dapat diperoleh dengan persamaan sebagai berikut : F = q. v. B sin 𝜃

(2.6)

dimana : q = muatan electron v = kecepatan B = medan magnet Gaya yang dihasilkan tegak lurus dengan B dan v sehingga membentuk gerak melingkar. Menurut Krane (1992), partikel yang bermuatan listrik akan bergerak tegak lurus dengan medan magnet sejenis dan berpengaruh pada geraknya. Muatan positif bergerak menuju medan magnet dengan menembus bidang secara berkala sehingga membentuk lingkaran. Muatan negative juga bergerak menuju bidang secara berkala sehingga menembus bidang sama halnya dengan muatan positif. Persamaan yang memenuhi untuk membentuk lintasan lingkaran adalah sebagai berikut : 1. Gaya akibat medan magnet 2. Gaya sentripetal suatu partikel Persamaan yang diperoleh adalah sebagai berikut : R=

𝑚.𝑣 𝐵.𝑞

dimana : R = jari-jari lintasan partikel dalam meter ( m )

(2.7)

6

m = massa partikel dalam kilogram ( kg ) v = kecepatan partikel dalam meter / sekon ( m/s ) B= kuat medan magnet dalam Wb/m2 atau tesla ( T ) q = muatan partikel dalam coulomb ( C )

7

BAB 3. METODE PERCOBAAN

3.1 Rancangan kerja Rancangan kerja dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : Identifikasi masalah Kajian Pustaka Variabel Penelitian Percobaan Data Analisis Kesimpulan Gambar 3.1 Diagram alir rancanagan penelitian 3.2 Jenis dan Sumber Data Jenis dan sumber data yang diperoleh dari percobaan sinar katoda menggunakan Koil Hemholtz dan bersifat kuantitaif, karena data yang diperoleh berupa angka yang artinya data yang dihasilkan dapat dihitug secara rinci. 3.3 Definisi operasional variabel Definisi operasional variabel dalam eksperimen sinar katoda adalah sebagai berikut : 3.3.1

Variable bebas Vriabel bebas dari percobaan sinar katoda adalah tegangan variasi dan arus variasi.

3.3.2

Variable kontrol Variabel kontrol dalam eksperimen ini adalah lilitan (N), radius filament (a), dan ∆V filament (6,3 volt).

8

3.3.3

Variabel terikat Variabel terikat pada praktikum ini adalah radius berkas.

3.4 Metode Analisis Data 3.4.1 Tabel Pengamatan Pengukuran

Arus Hemholz

Tegangan

ke

coil I (…)

Elektroda ∆𝑉

Radius lintasan

3.4.2 Grafik

Gambar 3.2 Grafik hubungan antara 3.5 Kerangka Pemecahan Masalah Kerangka pemecahan masalah dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : 3.5.1 Waktu dan Tempat Percobaan Percobaan sinar katoda dilaksanakan pada hari Senin, 8 Oktober 2018 bertempat di Laboratorium Fisika Modern Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan alam 3.5.2 Skema Percobaan Skema percobaan dari tetes minyak milikan adalah sebagai berikut : Mulai

Rangkai alat

Aliran listrik dimatikan

Arus listrik Hemholtz coil dimatikan

Filamen elektron gun dihubungkan dengan power supply

9

Sumber tegangan dan arus listrik dihidupkan

Tegangan elektroda pemercepat sekitar 130-150 v

Tegangan Hemholtz coli dinaikkan sekitar 7 volt

Arus Hemholtz 1 A dan tegangan elektroda

Tegangan divariasi 5 kali

Arus divariasi 5 kali

Radiasi lintasan berkas electron dicatat

Selesai

Gambar 3.3 Skema percobaan sinar katoda 3.5.3 Desain Percobaan

Gambar 3.4 Desain percobaan sinar katoda (sumber : Tim penyusun, 2018).

10

3.6 Prosedur eksperimen Prosedur eksperimen dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : 3.6.1

Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam percobaan sinar katoda adalah

sebagai berikut : 1.

Peralatan pengukuran e/m berfungi sebagai objek tempat pengamatan dan pengaturan sistem percobaan, serta tempat visualisasi radius elektron.

2.

High voltage DC power supply berfungsi Sebagai Sumber tegangan masukan pada elektroda yang memicu pergerakan linear elektron.

3.

Low voltage AC/DC power supply berfungsi Sebagai Sumber tegangan masukan pada coil helmholtz yang memicu medan magnet B yang menyebabkan pergerakanmelingkar elektron.

4.

Digital voltmeter berfungsi sebagai Alat untuk mengukur nilai tegangan.

5.

Kabel penghubung berfungsi untuk menghubungkan arus listrik dari satu komponen kekomponen yang lain.

3.6.2

Langkah kerja Langkah kerja dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut :

1.

Alat dirangkai seperti gambar 3.4.

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 elektron gun dihubungkan dengan power supply bertegangan tetap 6,3 Volt (AC atau DC) pemercepat elektrode 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 elektrode pemercepat dinaikkan pada harga sekitar 130-150 Volt. Lintas berkas elektron akan terlihat berwarna kebirubiruan.

11

6.

Sumber tegangan koil helmholtz dinaikkan pada harga sekitar 7 Volt, sumber arusnya dinaikkan sehingga dapat diamati perubahan pada lintasan berkaselektron. Pengatur arus diputar pada panel keposisi sekitas ¾ maksimum.

7.

Posisi sumber arus Helmholtz diletakkan pada harga V=140-150 Volt. Radius lintasan berkas elekton dicatat.

8.

Posisi sumber tegangan elektroda pemercepat diletakkan pada harga V=140150 Volt. Radius lintasan berkas ektrokron.

9.

Pengukuran pada langkah 8 dulangi sebantak 10 kali untuk∆𝑉 yang berbeda.

10. Pengukuran pada langkah 7 s/d 0 diulangi sebanyak 3 kali untuk arus I yang berbeda.

12

BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Hasil dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : Tabel 4.1 hasil pengukuran dengan variasi tegangan pengukuran ke1 2 3 4 5

I (A)

V( volt )

1.5 1.5 1.5 1.5 1.5

r (cm) r1 5.00 5.50 5.75 6.00 6.25

350 400 450 500 550

r2 4.75 5.25 5.50 5.75 6.00

r3 4.50 5.00 5.50 5.75 6.00

r ̅ (cm)

∆r ̅ (cm)

e/m (C/kg)

∆e/m (C/kg)

D (%)

4.750 5.250 5.583 5.833 6.083

0.144 0.144 0.083 0.083 0.083

2.27.E+11 2.13.E+11 2.12.E+11 2.15.E+11 2.18.E+11

1.71.E+10 1.50.E+10 1.13.E+10 1.14.E+10 1.14.E+10

29% 21% 20% 22% 24%

Tabel 4.2 hasil eror grafik dengan variasi tegangan error xi yi xi2 yi2 xiyi m grafik 350 22.56 122500 509.066 7896.875 400 27.56 160000 759.691 11025 450 31.17 202500 971.794 14028.125 0.07071 500 34.03 250000 1157.89 17013.8889 550 37.01 302500 1369.51 20353.8194 total 2250 152.33 1037500 4767.96 70317.71 c

∆y

-1.3521 0.79054

∆m

∆c

e/m

∆e/m

1.1313E10

5.2E08

3.50.E+11

3.14.E-03

13

40.00 35.00

r^2 (cm^2)

30.00

y = 0.0707x - 1.3521 R² = 0.9852

25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0

100

200

300

400

500

600

V (volt)

Grafik 4.1 hubungan antara tegangan dengan jari-jari Tabel 4.3 hasil pengukuran dengan variasi arus pengukuran ke-

I (A)

V( volt )

1 2 3 4 5

1.4 1.45 1.5 1.55 1.6

350 350 350 350 350

r1 4.75 4.50 4.25 4.00 3.75

r (cm) r2 5 4.50 4.25 4 3.75

r3 5 4.75 4.25 3.75 3.50

r ̅ (cm)

∆r ̅ (cm)

e/m (C/kg)

∆e/m (C/kg)

D (%)

4.917 4.583 4.250 3.917 3.667

0.083 0.083 0.000 0.083 0.083

2.44.E+11 2.61.E+11 2.84.E+11 3.13.E+11 3.35.E+11

1.42.E+10 1.53.E+10 1.26.E+10 1.89.E+10 2.07.E+10

38% 49% 61% 78% 91%

Tabel 4.4 hasil eror grafik dengan variasi arus xi yi xi2 yi2 xiyi 1.4 4.92 1.96 24.17 6.88 error 1.45 4.58 2.1025 21.0069 6.64583333 grafik 1.5 4.25 2.25 18.06 6.38 1.55 3.92 2.4025 15.34 6.07 1.6 3.67 2.56 13.44 5.87

14

total m

7.5

21.33 ∆y

c

11.28

92.03

∆m

31.84

∆c

-6.3333 13.7667 0.03043 4.35464843 6.53923

6.00 5.00

r (cm)

4.00 y = -6.3333x + 13.767 R² = 0.9972

3.00 2.00 1.00 0.00 1.4

1.4

1.5

1.5

1.6

1.6

1.7

I (A)

Grafik 4.2 hubungan antara arus dengan jari-jari

4.2 Pembahasan Berdasarkan hasil eksperimen dapat dilihat pada tabel 4.1 dan 4.4 pada saat nilai tegangan (V) tetap dan nilai arus listrik (I) berubah maka harga e/m yang diperoleh secara analitik dan grafik yaitu dengan persentasi kesalahan kisaran sebesar 20-29-%. Nilai e/m ini tidak berbeda jauh jika dibandingkan. Jika nilai tegangan (V) berubah sedangkan nilai arus listrik (I) tetap maka harga e/m yang diperoleh secara analitik dan grafik yaitu dengan persentasi kesalahan kisaran sebesar 38-91%. Sedangkan harga e/m menurut literatur adalah 1,758803 x 1011 C/kg. Terlihat bahwa yang paling mendekati harga e/m literatur adalah harga e/m dari hasil grafik saat tegangan tetap dan arus berubah. Hal ini disebabkan karena data yang diperoleh saat tegangan tetap dan arus berubah cukup linier. Hal-hal yang sangat mempengaruhi hasil percobaan ini diantaranya adalah yang pertama

15

nilai arus dan tegangan yang selalu berubah-ubah pada power supply walaupun kita sudah mengaturnya untuk suatu nilai tertentu. Hal ini tentu sangat mempengaruhi akan nilai arus dan tegangan yang akan dicatat. Selain itu, berkas lintasan elektron pada tabung katoda tidak benar-benar garis tipis, dalam arti ada diameter dalam dan diameter luar, sehingga dalam pengamatan cukup sulit untuk menentukan diameter sebenarnya dari lintasan elektron. Sebab lain juga karena ketika pengamatan lintasan elektron cukup gelap, sehingga sangat memungkinkan dalam kesalahan paralaks (kesalahan mata dalam membaca skala). Hasil percobaan sinar katoda dapat dipengaruhi oleh tegangan filament yang terdapat pada alat. Tegangan filament berfungsi untuk menjernihkan warna berkas elektron. Semakin besar nilai tegangan filament maka warna berkas elektron semakin jelas Nampak kebiu-biruan, sedangkan semakin kecil nilai tegangan filament maka warna berka elektron akan semakin pudar. Berdasarkan percobaan terdapat dua macam perlakuan terhadap tegangan elektroda pemercepat. Hasil dari perlakuan pertama dengan tegangan elektroda berubah, semakin besar tegangan elektroda pemercepat maka jari-jari semakin besar. Perlakuan kedua dengan tegangan tetap diperoleh nilai jari-jari semakin kecil. Hal ini dikarenakan Sinar katoda merupakan partikel dengan harga perbandingan e/m. sinar katoda ditembakkan dan dipercepat dengan diberikannya tegangan tinggi dan dikendalikan dengan medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil. Arus koil hemholtz diberikan dua macam perlakuan pada percobaan sinar katoda. Arus koil hemholtz merupakan data yang dapat kita variasi ataupun tetapkan. Hasil yang diperoleh ketika arus koil hemholtz divariasi nilai jari-jari semakin kecil, sedangkan hasil saat nilai arus koil hemholtz tetap nilai jari-jari semakin besar. Hal ini dikarenakan arus hemholtz tidak dapat mempercepat sinar katoda, yang bertindak untuk mempercepat sinar katoda adalah tegangan.

16

BAB 5. PENUTUP

5.1 Kesimpulan Kesimpulan dari percobaan sinar katoda adalah sebagai berikut : 1. Hasil dari nilai e/m yang paling mendekati dengan literatusr yaitu saat tegangan divariasi, hal ini dikarenakan saat melakukan variasi arus tidak dapat dilakukan dengan rentan variasi yang sangat kecil sehingga presentase kesalahan saat arus divariasi sangat besar. 2. Tegangan filament berfungsi untuk menjernihkan warna berkas elektron. Semakin besar nilai tegangan filament maka warna berkas elektron semakin jelas Nampak kebiu-biruan, sedangkan semakin kecil nilai tegangan filament maka warna berka elektron akan semakin pudar. 3. semakin besar tegangan elektroda pemercepat maka jari-jari semakin besar. Hal ini dikarenakan sinar katoda ditembakkan dan dipercepat dengan diberikannya tegangan tinggi dan dikendalikan dengan medan magnet yang dibangkitkan oleh sepasang koil. 4. Arus koil hemholtz tidak dapat memperbesar nilai jari-jari. Hal ini dikarenakan arus hemholtz tidak dapat mempercepat sinar katoda, yang bertindak untuk mempercepat sinar katoda adalah tegangan.

5.2 Saran Saran dari percobaan sinar katoda untuk praktikan lebih memahami langkah kerja dan teori yang ada agar data yang dihasilkan dapat sesuai dengan teori. Praktikan diharapkan mampu mengatur tegangan pemercepat dan arus ko-il hemholtz dengan tepat. Praktikan diharapkan lebih berhati-hati agar dapat melaksanakan percobaan dengan baik dan benar.

17

DAFTAR PUSTAKA

Beiser dan Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern 4nd ed. Jakarta : Erlangga. Krane dan Kenneth. S, 1982. Fisika Modern, Terjemahan : Hans. J. Wospakrik dan Sofia Nikhsolihin. Jakarta: Penerbit UI. Krane,K. 1992. Fisika Modern. Jakarta; Universitas Indonesia. Oxtoby, D.W. 2003. Prinsip-prinsip Kimia Modern ¼. Jakarta: Erlangga. Surya, Y. 2009. Fisika Modern. Tanggerang: Kandel. Tim penyusun.2018. Modul Praktikum Eksperimen Fisika. Jember : Universitas Jember. Tipler, Paul A. 2001. Fisika Untuk Sains dan Teknik Jilid 2 Edisi Ketiga. Jakarta : Erlangga.