BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Dalam tabung osiloskop sinar katoda, didalamnya terdapat ruang yang sangat vakum. Bagian katoda dibuat memiliki temperatur yang tinggi dengan alat pemanas, sehingga elektron-elektron akan menguap dari permukaanya (ketika sifat emisi electron belum dipahami betul, penguapan elektorn dinamakan sinar katoda). Berkas elektron yang yang terlepas akan melewati lubang kecil pada anaoda sehingga akan mengalami percepatan. Hal ini dijaga dengan membuat agar nilai tegangan pada anoda lebih tinggi dari pada katoda. Pada bagian antara katoda-anoda timbul medan listrik sehingga electron yang melewati lubang pada anoda bergerak dengan kecepatan konstan dari anoda menuju layar fluoresen.
Ketika elektron menuju layar fluoresen, elektron akan melewati daerah dengan medan magnet, yang diatur berarah tegak lurus terhadap arah gerak elektron. Medan magnet ini dihasilkan oleh dua pelat pendifleksi. Akibanya elktrin akan mengalami penyimpangan sehingga tidak tepat jatuh pada sumbu layar, tetapi akan jatuh pada jarak Y terhadap sumbu layar. Elektron yang diberikan potensial pemercepat (V) tentunya merupakan energi listrik dalam bentuk (eV), energi ini membuat elektron bergerak dengan kecepatan (v), sehingga dapat diberikan hubungan bahwa energi yang diberikan dalam bentuk eV akan diubah menjadi energi kinetik elektron.
Setelah melewati anoda berkas elektron akan melewati daerah dengan medan magnet (B) yang tegak lurus terhadapnya. Akibatnya elektron akan mengalami penyimpangan akibat dari medan magnet (B) tersebut. Tentunya hal tersebut terjadi karena gaya yang dimiliki elektron akan dibelokkan oleh gaya magnet. Jika dibuat sebuat perangkat alat yang dapat membuat berkas elektron yang melewati medan magnet tegak lurus mempunyai lintasan berbentuk lingkaran maka gaya yang diakibatkan oleh gaya magnet tidak lain adalah gaya sentrifugal. Desain alat yang seperti ini dapat dibuat dengan menggunakan sepasang kumparan helmholtz dengan jarak antara kedua kumparannnya sama dengan jari-jari kumparan.
Hubungan antara energi listrik yang diberikan (eV) dan energi kinetik elektron yang terpancar, gaya magnet dan gaya sentrifugal, dapat digunakan untuk mengukur perbandingan antara muatan elektron dan massa elektron (e/m).










Gambar 1. Skema model perangkat JJ.Thomson
Percobaan ini pertama kali dilakukan oleh JJ. Thomson pada tahun 1897, percobaan ini mendasari dalam penentuan massa elektron, kerena muatan elektron telah ditemukan lebih dulu oleh Milikan.
B. RUMUSAN MASALAH
Rumusan masalah dalam kegiatan eksperimen yang dilakukan adalah
1. Bagaimana prinsip kerja dari perangkat percobaan JJ. Thomson dalam menentukan nilai e/m partikel elektron?
2. Berapa besar nilai perbandingan e/m untuk partikel elektron?


C. TUJUAN
Tujuan dari kegiatan eksperimen yang dilakukan adalah
1. Memahami prinsip percobaan JJ Thompson (1897) dalam menentukan nilai e/m partikel elektron.
2. Menentukan nilai perbandingan e/m untuk partikel elektron.
























BAB II
KAJIAN TEORI

1. Skema dasar tabung sinar katoda J.J. Thomson









Gambar 2. Alat ukur untuk mengukur perbandingan e/m sinar katoda

2. Komponen penyusun dan fungsi masing-masing komponen
a. Tabung Gelas, tabung gelas ini yang hampir hampa sebagai perangkat utama tabung sinar katoda JJ. Thomson.
b. Elektoda C ( Katoda), katoda ini tempat electron di pancarkan.
c. Elektroda A, A’ (Anoda), anoda ini yang potensialnya positif dan di jaga tetap tinggi dari pada katoda.
d. Pelat P dan P’, pelat P dan P’ ini sebagai pelat pendifleksian berkas electron baik akibat timbulnya medan listrik dan medan magnet antara pelat defleksi P dan P’.
e. Layar Fluoresen S, layar ini sebagai penampil berkas electron



3. Prinsip Kerja tabung sinar katoda J.J. Thomson
Prinsip kerja dari tabung sinar katoda gambar diatas akan diuraikan sebagai berikut. Tabung dari gelas yang hampir hampa udara di dalamnya dipasang elektroda C dan A, A’ (potensial pemercepat). Elektroda A dan A’ sebagai anoda, dan elektroda C sebagai katoda. Elektroda C adalah katode tempat electron terpancar sedangkan elektroda A adalah anoda yang potensialnya posiyif dan dijaga tetap tinggi. Elektron yang terpancar dari katoda akan membentur elektroda A, tetapi sebagian bergerak lurus melewati lubang kecil pada elektroda A, selanjutnya electron yang berhasil melewati elektroda A akan dihambat oleh elektroda A’ yang ditengahnya terdapat lubang kecil. Hasil electron yang melewati lubang elektroda A’ berupa berkas kecil electron yang akan bergerak terus kedaerah yang terletak antara pelat P dan P’. Setelah melewati pelat ini electron akan membentur ujung tabung yang menyebabkan fluoresen di S menjadi pijar.
Pelat defleksi P dan P’ dipisahkan oleh suatu jarak yang diketahui sehingga jiak diantara keduanya terdapat beda poteb=nsial mak medan listrik dan medan magnet dapat di hitung. Jika pelat P dibuat positif, medan listrik mendefleksikan electron-elektron ini bergerak melewati daerah bebas medan diluar pelat kearah layar dengan penyimpangan sebesar

Pada persamaan ini jika nilai YE, L, v2, D dapat diukur Maka e/m dapat diperoleh.
Jika diantara pelat P dan P’ terdapat medan magnet B yang tegak urus terhadap berkas electron, maka denganprinsip yang sama, berkas electron akan berbelok dengan penyimpangan YB diakibatkan oleh medan magnet yaitu

Nilai e/m dapat dihitung jika YB, D, B, L, v dapat diukur.
Jika digunakan kumparan (kumparan Helmholtz) digunakan sebagai pendefleksi maka prinsip kerja dari pengukuran ini adalah berkas electron dari katoda akibat potensial pemercepat akan melewati daerah medan magnet yang timbul akibat pemberian arus pada kumparan Helmholtz, sehingga berkas ini akan dipengaruhi oleh gaya magnetic yang menyebabkan electron berpijar membentuk lingkaran yang menimbulkan gaya sentrifugal sehingga dapat ditulis




Di mana: = Kecepatan
= Kuat medan magnet
= Jari-jari berkas
elektron yang terpancar dari katoda akibat potensial pemercepat V akan menyebabkan electron bergerak dengan kecepatan v, sehingga


Pada 2 kumparan Helmholtz dengan jari-jari a dan dialiri arus I maka pada sumbunya akan muncul medan magnet B, dan jarak antara kumparan L









Jika sudut yang dibentuk adalah θ maka untuk:


Jika alat diset agar a = L,maka


Sehingga:


Untuk medan magnet B dititik P, dari hukum Biot Savart,

Untuk R tegak lurus dL maka θ = 90o, sin θ = 1, maka

Untuk R tidak tegak lurus dL maka

Dimana L = keliling lingkaran




dengan a = jari-jari lingkaran (kumparan).
Karena ada dua kumparan maka pada titik P muncul medan magnet sebesar Bp, yang arahnya tegaklurus terhadap arah gerak electron, yang besarnya adalah,


Dengan arah dan besar arus sama, maka



Dengan Bp kuat medan total dititik P
Karena
,

sehingga diperoleh,

atau


dan karena

maka


Sehingga medan magnet pada Kumparan Helmholtz diberikan oleh persamaan

dengan a adalah Jari-jari kumparan.
Jika persamaan 2 dan 3 dimasukkan dalam persamaan 1 akan diperoleh

Dengan V = Potensial pemercepat (volt)
a = Jejari kumparan helmholtz (m)
N = Jumlah lilitan pada setiap kumparan helmholtz (130)
o = Konstanta permeabilitas = 4 x 10-7
I = Arus kumparan helmholtz (A)
r = Jejari berkas electron (m)

Cara yang lain untuk menentukan nilai e/m, jika kuat medan magnet diketahui adalah dengan mengmabil hubungan antara energi listrik dan energi kinetik, serta gaya magnet dan gaya sentrifugal. Dari hubungan gaya magnetik dan gaya sentrifugal



Hubungan antara energi listrik dan energi kinetik



Dari persamaan (1)

Di mana


Sehingga dengan mensubtitusikan pers. (6) ke (5)



Dengan V = Potensial pemercepat
= Kuat medan magnet
= Jari-jari berkas elektron


















BAB III
METODE EKSPERIMEN

A. ALAT DAN BAHAN
Percobaan ini menggunakan “The e/m Apparatus” model SE-9638 seperti pada gambar berikut:










Gambar 3. The e/m Apparatus” model SE-9638











Gambar 4. Skema The e/m Apparatus
Alat ini terdiri dari:
1. The e/m tube 4. Cloth hood
2. The Helmholtz Coils 5. Mirrored Scale
3. The Controls
B. CARA KERJA
1. Memeriksa dan membuat rangkaian listrik alat e/m seperti gambar berikut.

Gambar 5. Rangkaian Listrik Percobaan e/m
2. Memastikan bahwa kain penutup telah terpasang di atas alat e/m.
3. Mendorong Toggle switch ke atas untuk posisi pengukuran e/m.
4. Memutar tombol pengatur arus kumparan helmholtz keposisi OFF.
5. Menghubungkan power supply dan meter (Ammeter dan Voltmeter) di depan panel alat e/m, seperti pada gambar.
6. Mengatur power supply pada level berikut:

7. Mengatur tombol kumparan helmholtz dan memperhatikan Ammeter, agar arus tidak melampaui 2A.
8. Menunggu beberapa saat agar katoda cukup panas, sehinggga tampak berkas elektron keluar dari elektron gun yang akan melengkung akibat medan dari kumparan Helmholtz.
9. Mencatat arus kumparan helmholtz pada Ammeter dan tegangan pemercepat pada Voltmeter. Mencatat hasil pengamatan dalam tabel hasil pengamatan.
10. Mengukur Diameter berkas elektron, dengan menghimpitkan berkas tersebut terhadap skala yang tertera pada alat. Menentukan nilai skala bagian kanan dan kiri untuk memperoleh diameter berkas. Mengkonversi nilai diameter berkas menjadi jari-jari, mencatat hasilnya dalam tabel pengamatan.
11. Mengulangi langkah ke 9 dan 10, dengan menaikkan potensial pemercepat elektron.
12. Setelah pengukuran selesai, mengembalikkan semua tombol ke posisi semula.
13. Berdasarkan data yang anda peroleh, selanjutnya dihitung nilai e/m elektron.
C. IDENTIKASI VARIABEL
1. Variabel Manipulasi
Potensial Pemercepat (V).
2. Variabel Kontrol
Kuat medan magnet (B), jumlah kumparan Helmholtz (N).
3. Variabel Respon
Arus Kumparan Helmholtz (I), dan Jari-jari berkas elektron (r)



D. DEFENISI OPERASIONAL VARIABEL
1. Variabel Manipulasi
Potensial Pemercepat (V) adalah besarnya tegangan pemercepat agar berkas elektron dapat terpancar, yang besarnya diukur dengan menggunakan voltmeter digital.
2. Variabel Kontrol
Kuat medan magnet (B) adalah besarnya rapat fluks magnetik yang arahnya tegak lurus terhadap arah elektron dengan nilai yang telah ditetapkan yaitu 7,8 x 10-4 Wb/m2.
3. Variabel Respon
Jari-jari berkas elektron (r) adalah jari-jari berkas elektron yang diperoleh dari pengukuran diameter berkas dengan menggunakan skala yang tertera pada perangkat e/m (alat), dan Arus Kumparan Helmholtz (I) adalah kuat arus listrik yang mengalir menuju ke masing-masing kumparan helmholtz yang dikur dengan menggunakan ammeter.











BAB IV
HASIL EKSPERIMEN

A. HASIL PENGAMATAN
Dari hasil eksperimen yang dilakukan, diperoleh data yang ditunjukkan pada tabel IV.1 di bawah ini.

Diketahui: B = 7,80 x 10-4 Wb/m2
Harga referensi e/m = 1,7589 x 1011 C/kg
No Tegangan Pemercepat
(Volt) Arus Kumparan
(mA) Jari-jari berkas
(cm)
1
2
3
4
5
6 89
95
104
117
125
134 905
899
896
897
893
895 3,75
4,05
4,25
4,75
4,85
4,95
Tabel IV.1. Tabel Hasil Pengamatan

B. ANALISA DATA
Nilai e/m elektron berdasarkan data-data yang diperoleh dalam tabel IV.1. dapat di tentukan seperti dalam uraian berikut
1. Untuk V = 89 Volt, dan r = 3,75 x 10-2 m
Dengan menggunakan persamaan,

Dimana B = 7,8 x 10-4, diperoleh nilai,
(e/m)1= 2,0805 x 1011 C/kg
Persentase kesalahan terhadap harga referensi e/m (1,7589 x 1011 C/kg) adalah

Sehingga diperoleh persentase kesalahan sebesar 18,28 persen.

2. Untuk V = 95 Volt, dan r = 4,05 x 10-2 m
Dengan menggunakan persamaan,

Dimana B = 7,8 x 10-4, diperoleh nilai,
(e/m)2= 1,9039 x 1011 C/kg
Persentase kesalahan terhadap harga referensi e/m (1,7589 x 1011 C/kg) adalah

Sehingga diperoleh persentase kesalahan sebesar 8,25 persen
3. Untuk V = 104 Volt, dan r = 4,25 x 10-2 m
Dengan menggunakan persamaan,

Dimana B = 7,8 x 10-4, diperoleh nilai,
(e/m)3= 1,8928 x 1011 C/kg
Persentase kesalahan terhadap harga referensi e/m (1,7589 x 1011 C/kg) adalah

Sehingga diperoleh persentase kesalahan sebesar 7,61 persen
4. Untuk V = 117 Volt, dan r = 4,75 x 10-2 m
Dengan menggunakan persamaan,

Dimana B = 7,8 x 10-4, diperoleh nilai,
(e/m)4= 1,7047 x 1011 C/kg
Persentase kesalahan terhadap harga referensi e/m (1,7589 x 1011 C/kg) adalah

Sehingga diperoleh persentase kesalahan sebesar 3,08 persen
5. Untuk V = 125 Volt, dan r = 4,85 x 10-2 m
Dengan menggunakan persamaan,

Dimana B = 7,8 x 10-4, diperoleh nilai,
(e/m)5= 1,7469 x 1011 C/kg
Persentase kesalahan terhadap harga referensi e/m (1,7589 x 1011 C/kg) adalah

Sehingga diperoleh persentase kesalahan sebesar 0,68 persen
6. Untuk V = 134 Volt, dan r = 4,95 x 10-2 m
Dengan menggunakan persamaan,

Dimana B = 7,8 x 10-4, diperoleh nilai,
(e/m)6= 1,7978 x 1011 C/kg
Persentase kesalahan terhadap harga referensi e/m (1,7589 x 1011 C/kg) adalah

Sehingga diperoleh persentase kesalahan sebesar 2,21 persen.

Dari hasil analisis yang dilaukukan diperoleh nilai e/m rata-rata sebesar 1,8544 x1011 C/kg.

C. PEMBAHASAN
Hasil analisis yang dilakukan di atas dapat dilihat dalam tabel IV.2, di bawah ini,
No Tegangan Pemercepat
(Volt) Arus Kumparan
(mA) Jari-jari berkas
(cm)
Nilai e/m
(C/kg)
Persentase kesalahan
(%)
1
2
3
4
5
6 89
95
104
117
125
134 905
899
897
896
895
893 3,75
4,05
4,25
4,75
4,85
4,95 2,0805 x 1011
1,9039 x 1011
1,8928 x 1011
1,7047 x 1011
1,7469 x 1011
1,7589 x 1011 18,28
8,25
7,61
3,08
0,68
2,21
Tabel IV.2. Tabel Hasil Analisis
dengan nilai e/m rata-rata sebesar 1,8544 x1011 C/kg.
Dari tabel IV.2, diperoleh nilai e/m yang sangat bervariasi. Secara teoritis Thomson mengukur e/m “korpuskul katoda“nya dan mendapatkan satu harga untuk besaran ini, yang tidak bergantung kepada bahan katoda dan sisa gas dalam tabung. Ketidakbergantungan ini menandakan bahwa korpuskul katoda itu merupakan unsur yang terdapat dalam semua zat dengan nilai e/m adalah (1,758897 ± 0,000032) x 10 11 C/kg.
Penentuan e/m dari eksperimen yang dilakukan sangat bagus untuk tegangan pemercepat sebesar 125 Volt. Hal ini ditunjukkan pada nilai ini persentase kesalahan terhadap nilai referensi teori hanya sebesar 0,68 persen. Sedangkan kesalahan (penyimpangan) terhadap nilai referensi terbesar terjadi untuk potensial pemercepat sebesar 89 Volt. Hal ini penting diketahui untuk membatasi nilai V yang diberikan sehingga akan diperoleh perbandingan e/m yang akurat.
Hasil analisis data yang diperoleh menunjukkan nilai e/m memang mencirikan nilai perbandingan antara muatan elektron dan massa elektron, hal ini dapat dilihat dari hasil perhitungan e/m yang mendekati nilai referensi yang ada. Adanya perbedaan nilai e/m dari hasil analisis dan nilai e/m secara teori, tentunya disebabkan oleh banyak faktor yang mana, praktikan telah berusaha untuk memperoleh data yang sebaik-baiknya.
Diantara faktor tersebut yang sangat rentan terjadi kesalahan yaitu dalam penentuan jari-jari berkas elektron. Berkas yang muncul dalam bentuk lingkaran yang tidak sempurna sehingga dapat saja nilai jari-jari yang diperoleh atau diameter yang diukur bukan diameter yang sebenarnya, jika cara pengukurannya tidak tepat. Berkas elektron yang muncul memiliki ketebalan (seperti garis tebal) sehingga dalam menentukan acuan penentuan titik pada skala acuan pengukuran diameter dapat saja terjadi kesalahan.
Nilai potensial pemercepat (V) elektron yang terkadang berfluktuasi sehingga kemungkinan selalu ada kesalahan. Hal lain yang sempat praktikan lakukan adalah dengan mengubah nilai arus maksimum (2A) untuk kumparan helmholtz. Batas pemberian arus yang digunakan akan sangat mempengaruhi jari-jari berkas elektron yang dihasilkan, sehingga lebih awal harus terlebih dahulu dikalibrasi sehingga kesalahan-kesalahan yang mungkin dapat diminimalkan. Faktor lain dapat saja diakibatkan oleh kondisi alat yang sudah tua (keterbatasan alat), sehingga potensial pemercepat nya hanya menghasilkan berkas elektron pada rentang tertentu (sangat terbatas).



BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN

A. KESIMPULAN
Dari hasil analisis dan pembahasan dapat disimpulkan beberapa hal yaitu:
1. Nilai e/m yang diperoleh bervariasi, namun nilai yang diperoleh mencirikan nilai perbandingan muatan elektron dan massa elektron.
2. Dalam penentuan nilai e/m, pemberian potensial pemercepat (V) disekitar 125 Volt sangat baik (e/m = 1,7469 x 1011 C/kg), memiliki kesalahan yang sangat kecil yaitu 0,68 persen. Potensial pemercepat (V) disekitar 89 Volt kurang baik (e/m = 2,0805 x 1011 C/kg), memiliki kesalahan yang cukup besar yaitu 18,28 persen.
B. SARAN
1. Dalam pengambilan data hendaknya memperhatikan hal-hal berikut:
a. Pengukuran diameter berkas elektron, hendaknya seteliti mungkin. Terutama menentukan garis yang dipakai sebagai acuan penentuan skala penunjukan.
b. Nilai potensial pemercepat (V) yang dipilih adalah yang tidak fluktuatif lagi (menunggu beberapa saat untuk diperoleh V yang agak konstan)
2. Pihak laboratorium hendaknya mengusahakan untuk mengadakan perangkat yang dapat menampilkan berkas elektron yang lebih baik.

C. DAFTAR PUSTAKA
1. Giancoli, Douglas C. 2001. Fisika Jilid 2 edisi kelima (Terjemahan).Jakarta: Penerbit Erlangga.
2. Halliday dan Resnik.1991. Fisika Jilid 2 (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga
3. Sears dan Zemansky. 1962. Fisika untuk universitas 2 listrik, magnet (terjemahan).Jakarta: Binacipta
4. Sunardi dan Indra, Etsa. 2006. Fisika Bilingual Untuk SMA/MA kelas XII semester 1 dan 2. Bandung: Penerbit Yrama Widya
5. Surya, Yohanes. 2001. Fisika itu Mudah edisi kedua SMU catur wulan kedua kelas 3. Tangerang: Penerbit PT. Bina Sumber Daya MIPA.
6. Tim Eksperimen Fisika Modern. 2009. Penuntun Eksperimen Fisika Modern Program S2. Makassar. Laboratorium Fisika Unit Fisika Modern FMIPA UNM.