Tetes Minyak Milikan

Philin Yolanda Dwi Sagita, Adhi Yudha Perkasa, Depta Mahardika S, Devi Eka S. Jurusan Fisika, Fakultas MIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: devi10@mhs.physics.its.ac.id

Abstrak— Salah satu konstanta penting dalam fisika adalah nilai muatan listrik yang dibawa oleh sebuah elektron. Praktikum Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan menentukan nilai muatan butiran minyak Parafin dengan menggunakan Mikroskop Milikan. Pada praktikum Tetes Minyak Milikan ini berhasil didapatkan nilai kelajuan tetes minyak parafin baik kelajuan yang disebabkan oleh gaya gravitasi maupun kelajuan yang disebabkan oleh medan listrik seperti yang telah ditampilkan pada Tabel 1 pada subbab III Hasil dan Pembahasan. Selain itu didapatkan pula besar jari-jari tetes minyak dari hasil perhitungan dengan menggunakan kelajuan yang disebabkan oleh gaya gravitasi untuk masing-masing pengamatan (Tabel 2 pada subbab III Hasil dan Pembahasan) dan didapatkan besar median jari-jarinya sebesar 1.35062 x 10^-06 m. Hal itu dikarenakan pada keadaan tersebut tetes minyak berada pada keadaan alaminya tanpa ada pengaruh dari luar. Setelah didapatkan nilai median jari-jari tetes minyak parafin tersebut, selanjutnya kita dapat menentukan nilai konstanta untuk masing-masing tegangan antara lain 1.15142 x 10^-14 untuk nilai tegangan 200 volt, 7.6761 x 10^-15 untuk nilai tegangan 300 volt, dan 5.75708 x 10^-15 untuk nilai tegangan 400 volt. Setelah didapatkan nilai konstanta tersebut kita dapat mencari nilai muatan listrik dan jumlah partikel tetes minyak parafin untuk setiap pengamatan seperti yang telah ditampilkan pada Tabel 3 dan Tabel 4 pada subbab III Hasil dan Pembahasan. Adapun nilai median muatan listrik dan jumlah partikel tetes minyak parafin antara lain 1.67191 10^-18C dan 9.892949427 partikel elektron.

Kata Kunci—Minyak Parafin, Mikroskop Milikan, Gaya Gravitasi, Medan Listrik, Gaya Viskositas

I.     PENDAHULUAN

1.1        Latar Belakang

Salah satu konstanta penting dalam fisika adalah nilai muatan listrik yang dibawa oleh sebuah elektron. Pada tahun 1913, R.A. Milikan dengan menggunakan eksperimen tetes minyak dapat mendemonstrasikan dan mengukur secara tepat muatan elektron.^[1]

Praktikum Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan menentukan nilai muatan butiran minyak tersebut. Percobaan ini 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.”^[2]

Robert Milikan melakukan percobaan dengan menyeimbangkan gaya-gaya antara gravitasi dan gaya listrik pada suatu tetes minyak yang ada diantara dua pelat konduktor. Ketika minyak jatuh di udara akan mengalami percepatan ke bawah yang disebabkan oleh gaya grafitasi dan pada saat yang sama gerak tetes minyak tersebut dihambat oleh gaya penghambat (gaya stokes). Menurut stokes, bila sebuah benda dilepaskan tanpa kecepatan awal di dalam fluida, benda mula-mula akan mendapatkan kecepatan.^[3]

Pada eksperimen tetes minyak Milikan, tetes minyak disemprotkan melalui bagian atas dua keping sejajar. Dengan menggunakan mikroskop, dapat diamati dan diukur kecepatan vertikal tetes minyak tersebut. Tetes minyak ini mengalami tiga gaya yang berbeda, yaitu gaya viskos, gaya gravitasi, dan gaya listrik. Dari analisis ketiga gaya ini dapat diturunkan suatu persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan muatan elektron (q) Analisis untuk muatan dapat dijelaskan sebagai berikut. ^[4]

Kasus pertama

Anggaplah bahwa tidak ada medan listrik E dalam dua keping sejajar. Tetes minyak jatuh ke bawah (keping 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 dapat dituliskan^[5] :

F_g = m_oil.g

Gaya gesek, gaya yang arahnya melawan gaya gravitasi, dalam hal ini sama dengan gaya Stokes

F_r = 6πrηv

Gaya Archimedes, gaya dengan arah ke atas

F_A = m_L.g

Dengan m_oil, m_L, η, v masing-masing massa tetes minyak, massa udara dengan volum sama dengan tetes minyak, viskositas minyak, jari-jari tetes minyak, dan kecepatan gerak tetes minyak ke bawah. Sehingga resultan gaya yang dialami oleh tetes minyak dapat ditulis^[6] :

m_oil.g – m_L.g - 6πrηv = 0

Bila moil – mL = m, maka persamaan di atas dapat ditulis menjadi :

m.g - 6πrηv = 0

Dengan m.g merupakan berat tetes minyak setelah dikurangi oleh gaya Archimedes. Bila ρ_oil – ρ_L = ρ, dengan ρ_oil dan ρ_L adalah rapat massa tetes minyak dan rapat massa udara, maka dengan mengganti m = ρV =  πρ akan diperoleh resultan gaya tetes minyak^[7]

 πρ - 6πrηv = 0

Atau                                                                                       r =

Kasus kedua

Pada plat sejajar dialirkan medan listrik sedemikian sehingga tetes minyak bergerak ke atas dengan kecepatan v2. Bila tegangan antar pelat U dan jarak antar kedua pelat adalah d, maka E=U/d dan gaya yang bekerja pada tetes minyak tersebut adalah ^[3]:

q.E – m.g - 6πrηv = 0

Atau                                                                       q. -  πρ - 6πrηv = 0

Untuk tetes minyak yang melayang di antara pelat sejajar karena pengaruh medan listrik E,

maka pers (2) menjadi :

q. -  πρ = 0

Dari penjelasan di atas terlihat bahwa terdapat dua metode yang berbeda yang dapat digunakan untuk menentukan muatan elektron elementer :

1.       Mengukur kecepatan jatuh bebas v sebelum diberikan medan listrik dan mengukur tegangan U sehingga tetes minyak diam diantara dua pelat sejajar. Formulasi metode ini dapat dilakukan dengan substitusi pers. (1) dan pers (3), sehingga diperoleh :

q =

Dengan karakteristik alat dan bahan sebagai berikut :

η = 1,81 . 10^-5 N/m² s, d = 6.10-3 m, ρ_oil = 875,3 kgm^-3, ρ_L = 1,29 kgm^-3

sehingga persamaan (4) dapat dituliskan menjadi^[1] :

q = 2. 10^-10.   A.s

2.       Mengukur kecepatan jatuh tetes minyak dalam ruang bebas medan listrik v1 dan kecepatan naik v2 pada tegangan tertentu U. Formulasi ini dapat dilakukan dengan substitusi pers (1) ke dalam pers (2) sehingga diperoleh :

q = v₁ + v₂

Dengan memasukkan nilai η, d, dan ρ ke dalam pers (6) diperoleh :

q =  (v₁ + v²)  A.s

Untuk meningkatkan akurasi nilai terukur dalam percobaan Milikan digunakan faktor koreksi (koreksi Chunningham) sebagai berikut. Andaikan muatan terkoreksi q_c tekanan udara P (bar), maka koreksi dari pers (5) atau pers (7) adalah^[4] :

q_c =           atau       q =

Dengan b adalah suatu konstanta yang dapat diperoleh secara numerik atau grafik (-6,33.10^-5 mbar).

II.     METODE

Langkah awal dalam praktikum ini adalah menyiapkan alat dan bahan yang diperlukan dalam melaksanakan praktikum ini, yaitu Mikroskop, Sprayer, Minyak Parafin, Sumber Cahaya (Lampu), Stopwatch, dan Seperangkat Peralatan Milikan. Kemudian susunlah rangkaian percobaan Milikan.

Dengan menggunakan sprayer, cairan (minyak parafin) dimasukkan ke ruang penyemprotan melalui lubang sprayer untuk membuat butiran-butiran di daerah antara 2 plat yang diberi potensial. Lalu sumber cahaya diatur agar ruang pengamatan mendapatkan cahaya, kemudian salah satu butiran yang sekiranya bergerak jatuh bebas dengan kecepatan stasioner diamati dengan menggunakan mikroskop. ”Switch Pembalik” digunakan untuk mengatur medan listrik sehingga salah satu butiran yang diamati dapat bergerak naik. Selanjutnya waktu tempuh butiran untuk naik dari batas garis tengah sampai menyentuh batas garis atas diamati dan dicatat. Setelah butiran yang diamati menyentuh batas garis atas, ”Switch Pembalik” dilepaskan sehingga butiran bergerak turun. Waktu tempuh butiran untuk turun dari batas garis atas sampai menyentuh batas garis bawah diamati dan dicatat. Kemudian pengamatan gerak butiran tersebut diulang untuk 5 kali naik dan 5 kali turun untuk masing-masing nilai tegangan listrik yang diberikan.

III.     HASIL DAN PEMBAHASAN

Praktikum Tetes Minyak Milikan ini bertujuan untuk menentukan besar jari-jari tetesan minyak dan menentukan nilai muatan butiran minyak tersebut. Pada praktikum ini terjadi 2 pergerakan butiran minyak parafin yaitu pergerakan ke atas dan pergerakan ke bawah. Saat butiran minyak bergerak ke atas, butiran minyak tersebut hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi sedangkan pada saat butiran minyak mencapai batas garis atas, untuk membelokkan pergerakan minyak, pengamat perlu menekan tobol switch pembalik pada mikroskop untuk memberikan tegangan diantara kedua plat sehingga timbul medan listrik yang dapat membelokkan pergerakan butiran minyak dari batas atas menuju batas tengah yang berjarak 0.5 mm. Sehingga pada gerak pembelokan tetes minyak dari batas atas menuju batas tengah selain dipengaruhi oleh gaya gravitasi pergerakan tetes minyak juga dipengaruhi oleh medan listrik yang ditimbulkan oleh adanya tegangan listrik diantara kedua plat. Jadi ketika pergerakan tetes minyak yang diamati oleh pengamat dengan menggunakan mikroskop bergerak keatas, pada keadaan yang sebenarnya justru sebaliknya. Tetes minyak tersebut bergerak kebawah karena gaya gravitasi dengan arah ke bawah yang mempengaruhi pergerakannya. Begitu pula sebaliknya, ketika pengamat mengamati pergerakan tetes minyak melalui mikroskop bergerak ke bawah, pada kenyataannya pergerakan tetes minyak tersebut bergerak ke atas melawan gaya tarik gravitasi yang berarah ke bawah karena adanya medan listrik yang diberikan oleh pengamat.

Pada praktikum ini data yang akan didapatkan adalah data waktu yang diperlukan oleh tetes minyak parafin untuk menempuh batas atas dan batas bawah. Setiap nilai tegangan dilakukan 5 kali pengulangan untuk 2 pergerakan keatas dan kebawah. Sehingga untuk 1 jenis tegangan akan diperoleh data waktu sebanyak 10 dengan 5 data untuk pergerakan keatas dan 5 data untuk pergerakan kebawah. Jadi jumlah data yang didapatkan pada praktikum ini sebanyak 30 data waktu. Berdasarkan dengan data hasil pengamatan waktu tempuh tetes minyak parafin, terdapat selisih nilai yang sangat jauh antara waktu tempuh tetes minyak dari batas bawah ke batas atas (naik) dan batas atas ke batas bawah (turun). Data waktu tempuh tetes minyak parafin dari batas bawah ke batas atas (naik) memiliki rentang waktu yang cukup singkat daripada rentang waktu yang dibutuhkan tetes minyak untuk menempuh batas atas ke batas bawah (turun). Hal itu dikarenakan gaya yang mempengaruhi pergerakan naik tetes minyak hanya gaya gravitasi sehingga pergerakan tetes minyak dipercepat kebawah. Sebaliknya, pada pergerakan tetes minyak ke bawah (yang sebenarnya ke atas), gaya gravitasi bumi yang berarah ke bawah (pusat bumi) harus mengalami gaya listrik yang arahnya berlawanan dengan arah gaya gravitasi bumi sehingga percepatan yang dialami oleh tetes minyak ini akan lebih kecil daripada percepatan yang dialami tetes minyak ketika tidak ada medan listrik yang mempengaruhinya.

Tabel 1. Data Hasil Pengamatan pada Praktikum

Tegangan (volt)	T <gravitasi/naik> (s)	T <medan/turun> (s)
200	5.1	33
	4.4	20.8
	4.2	24.2
	4.1	23.5
	4.6	28.5
300	4.5	31.9
	4.9	35.2
	3.3	43.8
	4.3	28.8
	3.7	34.8
400	1.1	51.4
	1.2	48
	1.1	54.3
	1.3	42.9
	1.4	57.3

Dari data waktu tersebut akan kita dapatkan kelajuan tempuh tetes minyak baik yang hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi bumi maupun gaya gravitasi dan medan listrik seperti yang telah ditunjukkan pada Tabel 2 dibawah ini.

Tebel 2. Data perhitungan kecepatan (v) yang dipengaruhi

oleh gaya gravitasi maupun medan listrik

Tegangan (volt)	v <gravitasi/naik> (m/s)	v <medan/turun> (m/s)
200	9.80392 10-05	1.51515 10-05
	0.000113636	2.40385 10-05
	0.000119048	2.06612 10-05
	0.000121951	2.12766 10-05
	0.000108696	1.75439 10-05
300	0.000111111	1.5674 10-05
	0.000102041	1.42045 10-05
	0.000151515	1.14155 10-05
	0.000116279	1.73611 10-05
	0.000135135	1.43678 10-05
400	0.000454545	9.72763 10-06
	0.000416667	1.04167 10-05
	0.000454545	9.2081 10-06
	0.000384615	1.1655 10-05
	0.000357143	8.726 10-06

Setelah mendapatkan nilai kelajuan tetes minyak parafin baik yang bergerak naik karena pengaruh gaya gravitasi bumi dan ke bawah karena pengaruh medan listrik. Selanjutkan kita dapat menentukan besar jari-jari tetes minyak untuk setiap pengamatan. Namun pada perhitungan besar jari-jari tetes minyak ini, nilai kelajuan tetes minyak yang digunakan adalah nilai kelajuan yang hanya dipengaruhi oleh gaya gravitasi karena pada keadaan tersebut tetes minyak berada pada keadaan alaminya tanpa ada pengaruh dari luar. Adapaun data hasil pengamatan dan perhitungan untuk besar jari-jari tetes minyak antara lain :

Tabel 2. Data Peerhitungan Besar jari-jari Tetes Minyak

Parafin

Tegangan (volt)	Jari-jari Tetes Minyak (m)
200	9.55845 10-07
	1.02907 10-06
	1.05329 10-06
	1.06606 10-06
	1.00645 10-06
300	1.01757 10-06
	9.75156 10-07
	1.18827 10-06
	1.04097 10-06
	1.1222 10-06
400	2.05815 10-06
	1.97052 10-06
	2.05815 10-06
	1.89322 10-06
	1.82435 10-06
r (rata-rata)	1.35062 10-06

Dari semua nilai besar jari-jari tetes minyak parafin untuk masing-masing pengamatan tersebut, didapatkan besar median jari-jari yaitu sebesar 4.67868 10^-06 m. Sehingga dari nilai median jari-jari tetes minyak parafin tersebut, didapatkan nilai konstanta (k) yang memiliki rumus k=  dengan U =  sehingga didapatkan nilai konstanta untuk masing-masing tegangan adalah 1.15142 x 10^-14 untuk nilai tegangan 200 volt, 7.6761  x 10^-15 untuk nilai tegangan 300 volt, dan 5.75708 x 10^-15 untuk nilai tegangan 400 volt.

Selanjutnya dari nilai konstanta tersebut, akhirnya kita dapat menentukan nilai muatan yang dimiliki oleh minyak parafin untuk masing-masing pengamatan seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3 dibawah ini.

Tabel 3. Data perhitungan Nilai muatan Minyak Parafin

Tegangan (volt)	q (Coulumb)
200	1.3033 10-18
	1.58521 10-18
	1.60863 10-18
	1.64915 10-18
	1.45354 10-18
300	9.73216 10-18
	8.92311 10-18
	1.25067 10-18
	1.02584 10-18
	1.1476 10-18
400	2.67286 10-18
	2.45875 10-18
	2.66987 10-18
	2.28136 10-18
	2.10634 10-18
q (rata2)	1.67191 10-18

Dari nilai muatan tersebut, kita dapat menentukan jumlah partikel yang terkandung pada setiap tetesan minyak yang melewati batas atas dan bawah pada setiap pengamatan.

Tabel 4. Data Jumlah partikel Tetes Minyak parafin

Tegangan (volt)	N (partikel)
200	7.71180883
	9.379937072
	9.518512381
	9.758268386
	8.600836612
300	5.75867174
	5.279949461
	7.40043065
	6.070034883
	6.790533529
400	15.8157175
	14.54882832
	15.79801965
	13.4991687
	12.46352369
N (rata-rata)	9.892949427

Demikianlah analisis data dari hasil pengamatan, pengukuran dan perhitungan pada praktikum Tetes Minyak Milikan. Adapun kendala-kendala yang dialami selama praktikum berlangsung adalah kemampuan ketelitian mata pengamat yang tidak sama sehingga hanya beberapa orang saja yang dapat melihat pergerakan naik dan turunnya tetes minyak parafin secara tepat dan teliti serta pergerakan tetes minyak yang sering tidak stasioner sehingga terkadang sebelum mencapai batas bawah maupun batas atas banyak tetes minyak yang sedang diamati tersebut tiba-tiba hilang akibat adanya gaya gesek antara permukaan minyak parafin dengan udara. Sehingga diperlukan beberapa ralat dan pengujian ulang mengenai data-data yang telah didapatkan pada praktikum ini.

IV.     KESIMPULAN

Pada praktikum Tetes Minyak Milikan ini berhasil didapatkan besar  jari-jari butiran minyak sebesar 1.35062    10^-06 m. Sedangkan untuk muatan pada butiran minyak yang dipengaruhi oleh medan gravitasi senilai 1.67191 10^-18C. dan jumlah partikel yang terkandung pada setiap tetes minyak adalah sebanyak 9.892949427 partikel elektron.

UCAPAN TERIMA KASIH

Penulis mengucapkan terima kasih kepada asisten laboratorium Fisika Modern yang telah membimbing dalam melakukan praktikum, dan teman-teman yang telah membantu dalam melakukan praktikum.

DAFTAR PUSTAKA

[1]     Beiser, Arthur. 1987. Konsep Fisika Modern Edisi Keempat. Penerbit Erlangga, Jakarta

[2]     Halliday, Resnick. 1986. Fisika Modern (Terjemahan Pantur Silaban). PT. Gelora Aksara Pratama, Jakarta.

[3]     Diah, Septia. 2002. Jurnal Ilmiah Praktikum Radiasi_4(Tetes Minyak Milikan)

[4]     Fisika FMIPA, Dosen. 2011. Fisika II (Listrik, Magnet, Gelombang, Optika, Fisika Modern). ITS press, Surabaya.

[5]     Halliday, Resnick. 1977. Fisika Jilid 2 Edisi 3 (Terjemahan Pantur Silaban). Penerbit Erlangga, Jakarta.

[6]     Streeter, Benjamin. 1985. Mekanika Fluida Jilid 1 Edisi 8 (Terjemahan Arko Prijono). Penerbit Erlangga, Jakarta.

[7]     Krane, Sissom. 1968. Jurnal Ilmiah Tetes Minyak Milikan.

 

LAMPIRAN

Tabel 1. Ralat waktu pada tegangan 200 volt dan dalam keadaan naik (dipengaruhi gaya gravitasi)

t (s)	ť	t-ť	(t-ť)2
5.1	4.48	0.62	0.3844
4.4	4.48	-0.08	0.0064
4.2	4.48	-0.28	0.0784
4.1	4.48	-0.38	0.1444
4.6	4.48	0.12	0.0144
∑((t-ť)2)			0.628

Ralat Mutlak

Δ =

Δ =

Δ = 0.177200451

Ralat Nisbi

I =  x 100%

I =  x 100%

I = 3.9553672%

Keseksamaan

K = 100% - I

K = 100% - 3.9553672%

K = 96.0446328 %

Tabel 2. Ralat waktu pada tegangan 200 volt dan dalam keadaan turun (dipengaruhi medan listrik)

t (s)	ť	t-ť	(t-ť)2
33	26	7	49
20.8	26	-5.2	27.04
24.2	26	-1.8	3.24
23.5	26	-2.5	6.25
28.5	26	2.5	6.25
∑((t-ť)2)			91.78

Ralat Mutlak

Δ =

Δ =

Δ = 2.142195136

Ralat Nisbi

I =  x 100%

I =  x 100%

I = 8.2392121%

Keseksamaan

K = 100% - I

K = 100% - 8.2392121%

K = 91.7607879 %

Tabel 3. Ralat waktu pada tegangan 300 volt dan dalam keadaan naik (dipengaruhi gaya gravitasi)

t (s)	ť	t-ť	(t-ť)2
4.5	4.14	0.36	0.1296
4.9	4.14	0.76	0.5776
3.3	4.14	-0.84	0.7056
4.3	4.14	0.16	0.0256
3.7	4.14	-0.44	0.1936
∑((t-ť)2)			1.632

Ralat Mutlak

Δ =

Δ =

Δ = 0.285657137

Ralat Nisbi

I =  x 100%

I =  x 100%

I = 6.8999308%

Keseksamaan

K = 100% - I

K = 100% - 6.8999308%

K = 93.1000692 %

Tabel 4. Ralat waktu pada tegangan 300 volt dan dalam keadaan turun (dipengaruhi medan listrik)

t (s)	ť	t-ť	(t-ť)2
31.9	34.9	-3	9
35.2	34.9	0.3	0.09
43.8	34.9	8.9	79.21
28.8	34.9	-6.1	37.21
34.8	34.9	-0.1	0.01
∑((t-ť)2)			125.52

Ralat Mutlak

Δ =

Δ =

Δ = 2.505194603

Ralat Nisbi

I =  x 100%

I =  x 100%

I = 7.178208 %

Keseksamaan

K = 100% - I

K = 100% - 7.178208 %

K = 92.821792 %

Tabel 5. Ralat waktu pada tegangan 400 volt dan dalam keadaan naik (dipengaruhi gaya gravitasi)

t (s)	ť	t-ť	(t-ť)2
1.1	1.22	-0.12	0.0144
1.2	1.22	-0.02	0.0004
1.1	1.22	-0.12	0.0144
1.3	1.22	0.08	0.0064
1.4	1.22	0.18	0.0324
∑((t-ť)2)			0.068

Ralat Mutlak

Δ =

Δ =

Δ = 0.058309519

Ralat Nisbi

I =  x 100%

I =  x 100%

I = 4.7794688%

Keseksamaan

K = 100% - I

K = 100% - 4.7794688%

K = 95.2205312 %

Tabel 6. Ralat waktu pada tegangan 400 volt dan dalam keadaan turun (dipengaruhi medan listrik)

t (s)	ť	t-ť	(t-ť)2
51.4	50.78	0.62	0.3844
48	50.78	-2.78	7.7284
54.3	50.78	3.52	12.3904
42.9	50.78	-7.88	62.0944
57.3	50.78	6.52	42.5104
∑((t-ť)2)			125.108

Ralat Mutlak

Δ =

Δ =

Δ = 2.501079767

Ralat Nisbi

I =  x 100%

I =  x 100%

I = 4.9253245%

Keseksamaan

K = 100% - I

K = 100% - 4.9253245%

K = 95.0746755 %