PERCOBAAN MILIKAN

A. Tujuan Percobaan

Tujuan dari percobaan ini yaitu :

1. Mempelajari kuantisasi muatan dari tetes minyak.

2. Mengukur waktu jatuh dan waktu naik tetes minyak terhadap perubahan tegangan.

3. Menentukan jari-jari dan muatan tetes minyak.

4. Menentukan nilai muatan elektron.

B. Teori Dasar

Dari hasil percobaan Thomson yang menunjukkan bahwa elektron merupakan bagian dari atom, percobaan Milikan mampu menentukan nilai muatan elektron e dan massanya m. Pada awalnya percobaan Milikan dilakukan untuk menentukan nilai e dan tetapan Avogadro N. Hasil percobaan menyimpulkan bahwa nilai muatan tetes minyak merupakan kelipatan dari nilai e. Pada dasarnya prinsip penentuan muatan dasar elektron dilakukan dengan mengamati gerak tetesan minyak di dalam suatu medan listrik yang terbentuk antara dua pelat kapasitor seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gerak tetes minyak dipengaruhi oleh gaya gravitasi (Fg), gaya hambat Stokes (Fs), gaya apung Archimedes (Fa), dan gaya Coulomb (Fc) seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini yaitu tanpa medan listrik (gambar a) dan dengan medan listrik (gambar b).

Resultan gaya yang bekerja pada tetes minyak tanpa medan listrik (gambar a) yaitu :

Dari persamaan di atas dapat diperoleh jari-jari tetes minyak (r) yaitu :

Dengan r = jari-jari tetes minyak (m), 𝜌o = rapat massa tetes minyak (kg/m³), 𝜌u = rapat massa udara (1,293 kg/m³), v1 = kecepatan tetes minyak ke bawah (m/s), 𝜂 = viskositas tetes minyak di udara (1,82 x 10⁻⁵ kg m/s), dan g = percepatan gravitas (m/s²)

Jika terdapat medan listrik, kemudian tetes minyak bergerak atau tertarik ke atas oleh pelat kapasitor, maka resultan gaya yang bekerja (gambar b) yaitu :

Dengan v2 = kecepatan tetes minyak bergerak atau tertarik ke atas (m/s), q = muatan tetes minyak (C), V = beda tegangan antara pelat kapasitor, dan d = jarak antar dua pelat (m).

C. Alat dan Bahan

Alat dan bahan yang digunakan pada Percobaan Milikan :

1. Mikroskop (okuler 10x) dengan skala mikrometer (1 garis = 0,05 mm).

2. Pengatur kedudukan mikroskop.

3. Wadah/chamber (diameter 8 cm).

4. Soket tegangan DC keping kapasitor (jarak antar keping 5 mm).

5. Lampu (6V ; 2,5A).

6. Pengatur intensitas cahaya.

7. Botol minyak.

8. Kabel penghubung lampu dengan sumber tegangan.

9. Pengatur kedudukan wadah.

D. Prosedur Percobaan

Berikut ini prosedur pada Percobaan Milikan :

1. Menyusun dan menyiapkan peralatan seperti pada gambar.

2. Memasukkan minyak gliserin ke dalam botol minyak.

3. Menghubungkan kabel penghubung lampu ke sumber tegangan.

4. Mengatur skala mikrometer terhadap kedudukan mikroskop.

5. Mengatur tegangan kapasitor pada 300 V.

6. Menyemprotkan tetes minyak ke dalam wadah. Mengamati tetes minyak yang turun ke bawah sepanjang 20 garis skala mikrometer yang teramati pada mikroskop. Jika tetes minyak bergerak (naik/turun) sepanjang x dalam mikrometer, maka jarak tempuh yang sebenarnya (s) adalah s = x / Mob x 10⁻⁴ meter dengan Mob adalah perbesaran lensa obyektif.

7. Mengamati bayangan dari mikroskop. Gerak tetes ke bawah pada kenyataannya merupakan gerak ke atas.

8. Mencatat waktu jatuh sebagai waktu naik tetes minyak karena tertarik oleh polaritas kapasitor.

9. Mematikan tegangan kapasitor dan mengamati gerak ke atas minyak sebagai gerak jatuh ke bawah.

10. Mencatat waktu gerak naik ke atas.

11. Mengulangi percobaan untuk tegangan 400 V.

12. Mengulangi percobaan untuk minyak silikon.

E. Data Percobaan

Note :

- Jarak antar dua pelat adalah d = 0,6 cm.

- Jarak antar garis adalah s = 1 mm.

- Massa jenis gliserin adalah 1.260 kg/m³.

- Massa jenis silikon adalah 2.330 kg/m³.

- Massa jenis udara adalah 1,293 kg/m³.

- Viskositas tetes minyak di udara adalah 1,82 x 10⁻⁵ kg m/s.

F. Pengolahan dan Perhitungan Data

G. Analisa Data

Ketika mengamati percobaan dalam sistem peralatan yang belum diberi tegangan (V = 0), maka setelah minyak disemprotkan akan nampak bahwa tetesan-tetesan minyak tersebut mengarah ke atas. Hal ini disebabkan karena teropong yang digunakan untuk mengamati bersifat membalikkan dan memperbesar bayangan. Namun, ketika sistem diberi tegangan diantara dua pelat, maka minyak akan bergerak ke bawah (yang sesungguhnya ke atas) melawan gaya gravitasi bumi dengan kecepatan tertentu.

Untuk nilai kecepatan jatuhnya tetesan minyak dapat disimpulkan bahwa semakin besar tegangan yang diberikan, maka kecepatan jatuh tetes minyak akan semakin cepat (waktu menjadi lebih cepat), terlihat dari skala garis yang teramati pada teropong.

Dari percobaan dapat diketahui bahwa semakin besar nilai tegangan, maka nilai jari-jari muatan minyak akan semakin besar. Hal ini terbukti pada percobaan dengan gliserin dan silikon karena r saat 400 volt > r saat 300 volt. Nilai r pada percobaan tidak ekivalen dengan jari-jari Atom Bohr (5,28 x 10⁻¹¹ m) karena hasil percobaan Bohr hanya berlaku pada atom hidrogen sedangkan pada gliserin (terdiri atas 3 atom karbon) dan silikon berbeda dengan hidrogen.

Dari hasil percobaan Milikan diperoleh nilai muatan elektorn e = 1,602192 x 10⁻¹⁹ C. Namun, dari hasil percobaan yang diperoleh berbeda. Kesalahan atau penyimpangan kemungkinan disebabkan karena mata pengamat berakomodasi maksimum sehingga menyebabkan mata capat lelah dan mengakibatkan pengukuran menjadi kurang akurat. Skala garis yang kecil yang teramati pada teleskop juga terlalu kecil sehingga sulit mengamati gerak tetes minyak. Dari referensi atau perumusan seharusnya semakin besar tegangan yang diberikan maka nilai muatannya akan semakin kecil, namun pada percobaan ini tidak terbukti karena adanya kesalahan atau penyimpangan yang dilakukan saat percobaan. Selain itu, semakin besar nilai rapat massa, maka jari-jari muatan minyak akan semakin kecil. 

H. Kesimpulan dan Saran

Dalam percobaan ini dapat disimpulkan sebagai berikut.

1. Nilai muatan tetes minyak merupakan kelipatan dari e.

2. Pengukuran jatuhnya minyak saat tanpa tegangan akan lebih lama waktunya dibandingkan dengan tegangan.

3. Jari-jari muatan tetes minyak :

a. Gliserin saat V = 300 Volt, yaitu r + Δr = (3,65 + 0,36) . 10⁻⁷ m

b. Gliserin saat V = 400 Volt, yaitu r + Δr = (1,03 + 0,02) . 10⁻⁶ m

c. Silikon saat V = 300 Volt, yaitu r + Δr = (7,16 + 0,28) . 10⁻⁷ m

d. Silikon saat V = 400 Volt, yaitu r + Δr = (9,62 + 0,43) . 10⁻⁷ m

4. Nilai muatan tetes minyak :

a. Gliserin saat V = 300 Volt, yaitu q + Δq = (2,0 + 0,5) . 10⁻¹⁸ C

b. Gliserin saat V = 400 Volt, yaitu q + Δq = (1,2 + 0,2) . 10⁻¹⁷ C

c. Silikon saat V = 300 Volt, yaitu q + Δq = (5,2 + 0,6) . 10⁻¹⁸ C

d. Silikon saat V = 400 Volt, yaitu q + Δq = (1,2 + 0,5) . 10⁻¹⁸ C

Dalam percobaan ini dapat disarankan sebagai berikut.

1. Lebih teliti dalam mengamati gerakan tetes minyak dalam teleskop.

2. Menggunakan skala garis yang besar agar pengamatan lebih mudah dilakukan.

I. Daftar Pustaka

Alvensleben, L.V. Phywe experimental literature physics: Elementary charge and Millikan experiment. LEP 5.1.01

Leybold instruction sheet 559 41/42. Milikan apparatus power supply.

Melissinos, A.C. (1966). Experiment in modern physics. New York: Academic press.

Milikan, R.A. (1913). On the elementary electrical charge and the Avogadro constant. Physical Review, Vol. II, No. 2, pp. 109-143.

Raymond A. Serway, Clement J. Moses and Curt A Moyer. (2005).Modern physics, 3 rd edition, Belmont: Thomson learning, Inc.