Menentukan Muatan Spesifik Elektron : Eksperimen Listrik magnet

Eksperimen Listrik Magnet : Menentukan Muatan Spesifik Elektron e/m

Percobaan menentukan muatan spesifik elektron yang terkenal yaitu  penggunaan pemilih kecepatan yang dilakukan oleh J.J Thomson pada tahun 1897. Thomson menunjukan bahwa sinar dalam tabung katoda dapat dibelokan oleh medan listrik dan medan magnet sehingga dapat diketahui bahwa sinar tersebut mengandung partikel-partikel yang bermuatan listrik.

Dengan mengukur besarnya penyimpangan partikel sinar yang disebabkan oleh medan listrik dan medan magnetik ini, Thomson dapat menunjukan bahwa semua partikel memiliki perbandingan muatan terhadap massa (e/m) relatif sama. Ia juga menunjukan bahwa partikel dengan perbandingan muatan terhadap massa ini dapat diperoleh dengan menggunakan sembarang bahan untuk katodanya. Partikel yang terkandung dalam sinar ini, sekarang disebut elektron dan merupakan bahan dasar seluruh materi.

Prinsip yang digunakan Thomson dalam melakukan pengukuran ini adalah jika suatu muatan elektron bergerak di dalam ruang yang berada di bawah pengaruh medan magnet atau medan listrik maka muatan tersebut akan mengalami gaya sehingga pergerakan elektron akan menyimpang. Adanya gejala fisis ini dipertimbangkan sebagai pergerakan muatan elektron dalam medan magnet maupun medan listrik persis seperti partikel yang dilemparkan horizontal di dalam medan gravitasi bumi.

Sistem yang digunakan terdiri dari sebuah tabung katode dan kumparan yang berfungsi untuk menghasilkan medan magnet. Kumparan ini disebut kumparan Helmholtz yang digunakan untuk menghilangkan medan magnet bumi dan untuk memberikan medan magnet yang konstan dalam ruang yang sempit dan terbatas.

Ketika katoda dialiri arus listrik, katoda tersebut akan berpijar karena tumbukan elektron-elektron di dalamnya sehingga dapat menyebabkan elektron dari katoda tersebut loncat dari katoda dan memasuki daerah medan magnet dari kumparan yang dialiri arus listrik. Pada saat katoda dialiri arus listrik maka terjadi emisi termionik, yaitu emisi partikel-partikel bermuatan seperti elektron dari permukaan suatu penghantar karena suhu tinggi. 

Emisi ini terjadi karena elektron atau ion-ion di dalam penghantar itu mempunyai energi kinetik yang cukup besarnya untuk melepaskan diri dari ikatan permukaan zat. Jika arah kecepatan elektron tersebut tegak lurus dengan arah medan magnet, maka elektron tersebut akan bergerak melingkar di dalam tabung katoda. Gaya magnet memberikan gaya sentripetal yang diperlukan agar terjadi gerak melingkar. 

Kita dapat menghubungkan kecepatan elektron tersebut (v) dengan jari-jari lintasan (r) dan medan magnetik (B) dengan membuat gaya total yang sama dengan massa (m) elektron kali percepatan sentripetal (v^2 /r) yang bersesuaian dengan hukum kedua Newton. Gaya total pada kasus ini sama dengan evB karena v dan B saling tegak lurus.

Untuk memahami lebih lanjut, pelajari tugas awal menentukan muatan spesifik elektron e/m berikut ini.

Tugas Awal Menentukan Harga e/m

1. Jelaskan proses loncatnya elektron dari filamen

Elektron keluar dari filamen karena peristiwa emisi termionik, yaitu peristiwa tereksitasinya elektron oleh energi luar berupa panas. Panas ini dihasilkan dari arus listrik yang dialirkan ke filamen kemudian berubah menjadi energi panas (disipasi energi). energi panas ini menjadi energi yang diterima oleh elektron di dalam atom, sehingga elektron mengalami suntikan energi. Ketika energi ini sudah di atas energi batas ambang atau energi ikat inti terhadap elektron, maka elektron akan tereksitasi keluar dari atomnya.

Elektron yang digunakan dalam percobaan ini berasal dari filamen (katoda) yang dipanaskan. Saat dipanaskan elektron-elektron dalam katoda akan mengalami kenaikan energi kinetik sehingga energi tersebut membuat elektron keluar dari kulit terluarnya. Pada katoda dan anoda diberikan beda potensial sehingga saat elektron keluar dari katoda elektron akan tertarik oleh anoda.

2. Kecepatan elektron ketika masuk ke medan magnet,

Ketika elektron keluar dari filamen dan kemudian ditempatkan di medan listrik maka energi potensial diubah menjadi energi kinetik sebesar.

Ketika elektron masuk ke medan magnet maka akan mendapat gaya lorentz sebesar gaya lorentz ini menyebabkan elektron bergerak melingkar sehingga ada gaya sentripetal yang bekerja padanya yaitu.

3. Jelaskanlah mengapa lintasan elektron yang asalnya lurus ketika masuk ke daerah medan magnet lintasannya menjadi melingkar?

Elektron yang masuk ke medan magnet akan mengalami gaya lorentz sebesar F = qv x B gaya lorentz ini bekerja sebagai gaya sentripetal karena bekerja secara terus menerus di dalam medan magnet sehingga lintasan elektron menjadi melingkar.

4. Hitung harga e/m

Dari jawaban nomor 2 kita akan mendapatkan 

Gaya lorentz yang bekerja pada elektron berfungsi sebagai gaya sentripetal sehingga

Substitusikan nilai kecepatan, sehingga akan diperoleh,

5. Buktikanlah bahwa besar medan magnet disepanjang sumbu kumparan ialah:

Medan magnet pada titik Z yang berada di tengah-tengah simpal

Medan magnet total pada sumbunya yaitu B1 + B2

6. Prosedur eksperimen untuk menentukan e/m

• Menyiapkan alat dan bahan yang akan digunakan dalam eksperimen
• Menghubungkan tabung dioda dan kumparan Helmholtz dengan power supply
• Menyalakan power supply
• Membaca batas ukur maksimum untuk arus dan tegangan pada power supply
• Mengamati perubahan diameter lingkaran yang terbentuk pada tabung dioda dan mengamati arus yang dibuat berbeda-beda. Dalam langkah ini tegangan dibuat konstan.
• Lakukan langkah e beberapa kali, kemudian catat hasil pengamatannya
• Ulangi langkah e, tetapi pada langkah ini arus dibuat tetap dan tegangan berbeda-beda

7. Pada tabung e/m diisi gas supaya jejak electron terlihat, terangkan mengapa gas tersebut ketika dilalui oleh berkas elektron menjadi bersinar?

Jejak elektron dapat terlihat karena elektron dari katoda yang memasuki tabung dioda bertumbukan dengan elektron dari gas yang digunakan dalam tabung dioda. Dalam hal ini gas yang digunakan yaitu helium.

Itulah sedikit penjelasan mengenai percobaan menentukan muatan spesifik elektron, semoga bermanfaat dan digunakan dengan bijak.

Share this post