EKSPERIMEN MILLIKAN: PROSEDUR, PENJELASAN, KEPENTINGAN - FISIK - 2025

The percobaan Millikan , yang dilakukan oleh Robert Millikan (1868-1953) bersama-sama dengan muridnya Harvey Fletcher (1884-1981), mulai tahun 1906 dan bertujuan untuk mempelajari sifat-sifat muatan listrik, menganalisis pergerakan ribuan tetes minyak di tengah-tengah medan listrik yang seragam.

Kesimpulannya adalah bahwa muatan listrik tidak memiliki nilai yang berubah-ubah, tetapi muncul dalam kelipatan 1,6 x 10 ^-19 C, yang merupakan muatan dasar elektron. Selain itu, massa elektron juga ditemukan.

Gambar 1. Di sebelah kiri peralatan asli yang digunakan oleh Millikan dan Fletcher dalam percobaan mereka. Di sebelah kanan diagram yang disederhanakan. Sumber: Wikimedia Commons / F. Zapata,

Sebelumnya, fisikawan JJ Thompson telah secara eksperimental menemukan hubungan massa-muatan dari partikel elementer ini, yang disebutnya "sel", tetapi bukan nilai dari setiap besaran secara terpisah.

Dari muatan - hubungan massa dan muatan elektron ini, nilai massanya ditentukan: 9,11 x 10 ^-31 Kg.

Untuk mencapai tujuannya, Millikan dan Fletcher menggunakan alat penyemprot yang menyemprotkan kabut halus tetesan minyak. Beberapa tetesan bermuatan listrik karena gesekan pada penyemprot.

Tetesan yang bermuatan perlahan-lahan mengendap pada elektroda pelat datar paralel, di mana beberapa melewati lubang kecil di pelat atas, seperti yang ditunjukkan pada diagram pada gambar 1.

Di dalam pelat paralel dimungkinkan untuk membuat medan listrik seragam yang tegak lurus dengan pelat, yang besaran dan polaritasnya dikontrol dengan memodifikasi tegangan.

Perilaku tetesan diamati dengan menerangi bagian dalam pelat dengan cahaya terang.

Penjelasan eksperimen

Jika jatuhnya memiliki muatan, medan yang tercipta di antara lempengan-lempengan tersebut memberikan gaya padanya yang melawan gravitasi.

Dan jika ia juga berhasil tetap tersuspensi, itu berarti medan tersebut menggunakan gaya vertikal ke atas, yang persis menyeimbangkan gravitasi. Kondisi ini akan tergantung pada nilai q, muatan drop.

Memang, Millikan mengamati bahwa setelah menyalakan lapangan, beberapa tetes ditangguhkan, yang lain mulai naik atau terus turun.

Dengan menyesuaikan nilai medan listrik - melalui resistansi variabel, misalnya - penurunan dapat dibuat agar tetap tersuspensi di dalam pelat. Meskipun dalam praktiknya hal itu tidak mudah untuk dicapai, jika itu terjadi, hanya gaya yang diberikan oleh medan dan gravitasi yang bekerja pada jatuh.

Jika massa jatuh adalah m dan muatannya q, mengetahui bahwa gaya sebanding dengan bidang yang diterapkan besarnya E, hukum kedua Newton menyatakan bahwa kedua gaya harus seimbang:

Nilai g, percepatan gravitasi diketahui, serta besarnya E medan, yang bergantung pada tegangan V yang terbentuk antara pelat dan pemisahan antara L ini, sebagai:

Pertanyaannya adalah menemukan massa dari setetes kecil minyak. Setelah hal ini tercapai, penentuan muatan q sangat mungkin dilakukan. Secara alami, m dan q masing-masing adalah massa dan muatan tetesan minyak, bukan elektron.

Tetapi … penurunan bermuatan karena kehilangan atau memperoleh elektron, jadi nilainya terkait dengan muatan partikel tersebut.

Massa tetesan minyak

Masalah Millikan dan Fletcher adalah menentukan massa tetesan, bukan tugas yang mudah karena ukurannya yang kecil.

Mengetahui massa jenis minyak, jika Anda memiliki volume tetesan, massa dapat dipecahkan. Tetapi volumenya juga sangat kecil, sehingga metode konvensional tidak ada gunanya.

Namun, para peneliti tahu bahwa benda sekecil itu tidak jatuh dengan bebas, karena hambatan udara atau lingkungan ikut campur, memperlambat gerakan mereka. Meskipun partikel, ketika dilepaskan dengan medan dimatikan, mengalami gerakan vertikal yang dipercepat dan ke bawah, akhirnya jatuh dengan kecepatan konstan.

Kecepatan ini disebut "kecepatan terminal" atau "kecepatan batas", yang, dalam kasus bola, bergantung pada jari-jarinya dan viskositas udara.

Dengan tidak adanya lapangan, Millikan dan Fletcher mengukur waktu yang dibutuhkan agar tetesan jatuh. Dengan asumsi bahwa tetesan itu berbentuk bola dan dengan nilai viskositas udara, mereka berhasil menentukan jari-jari secara tidak langsung dari kecepatan terminal.

Kecepatan ini ditemukan dengan menerapkan hukum Stokes dan inilah persamaannya:

- v _t adalah kecepatan terminal

- R adalah jari-jari jatuh (bulat)

- η adalah viskositas udara

- ρ adalah densitas tetesan

Pentingnya

Eksperimen Millikan sangat penting, karena mengungkapkan beberapa aspek kunci dalam Fisika:

I) Muatan unsur adalah elektron, yang nilainya 1,6 x 10 ^-19 C, salah satu konstanta dasar sains.

II) Muatan listrik lainnya datang dalam kelipatan muatan dasar.

III) Mengetahui muatan elektron dan hubungan muatan-massa JJ Thomson, adalah mungkin untuk menentukan massa elektron.

III) Pada tingkat partikel sekecil partikel elementer, efek gravitasi dapat diabaikan dibandingkan dengan elektrostatis.

Gambar 2. Millikan di latar depan di sebelah kanan, bersama Albert Einstein dan fisikawan terkenal lainnya. Sumber: Wikimedia Commons.

Millikan menerima Hadiah Nobel Fisika pada tahun 1923 untuk penemuan ini. Eksperimennya juga relevan karena dia menentukan sifat dasar muatan listrik ini, dimulai dari instrumentasi sederhana dan menerapkan hukum yang dikenal semua orang.

Namun, Millikan dikritik karena telah membuang banyak pengamatan dalam eksperimennya, tanpa alasan yang jelas, untuk mengurangi kesalahan statistik dari hasil dan membuatnya lebih "rapi".

Tetes dengan berbagai macam biaya

Millikan mengukur banyak, banyak tetes dalam eksperimennya dan tidak semuanya adalah minyak. Dia juga mencoba merkuri dan gliserin. Seperti yang dinyatakan, percobaan dimulai pada tahun 1906 dan berlangsung selama beberapa tahun. Tiga tahun kemudian, pada tahun 1909, hasil pertama dipublikasikan.

Selama waktu ini, ia memperoleh berbagai tetesan bermuatan dengan menyinari sinar-X melalui pelat, untuk mengionisasi udara di antara mereka. Dengan cara ini partikel bermuatan dilepaskan yang dapat diterima oleh tetesan.

Selain itu, dia tidak hanya fokus pada tetesan yang tersuspensi. Millikan mengamati, saat tetesan naik, laju kenaikan juga bervariasi sesuai dengan beban yang dikirimkan.

Dan jika tetesan turun, muatan tambahan ini ditambahkan berkat intervensi sinar-X, tidak mengubah kecepatan, karena massa elektron yang ditambahkan ke tetesan itu sangat kecil, dibandingkan dengan massa tetesan itu sendiri.

Terlepas dari berapa banyak muatan yang ditambahkannya, Millikan menemukan bahwa semua tetesan memperoleh muatan yang merupakan kelipatan bilangan bulat dari suatu nilai tertentu, yaitu e, satuan dasar, yang seperti yang telah kita katakan adalah muatan elektron.

Millikan awalnya memperoleh 1.592 x 10 ^-19 C untuk nilai ini, sedikit lebih rendah dari nilai yang diterima saat ini, yaitu 1.602 x 10 ^-19 C. Alasannya mungkin karena nilai yang dia berikan pada viskositas udara dalam persamaan untuk tentukan kecepatan terminal penurunan.

Contoh

Mengangkat setetes minyak

Kami melihat contoh berikut. Tetesan minyak memiliki massa jenis ρ = 927 kg / m ³ dan dilepaskan di tengah elektroda dengan medan listrik mati. Tetesan dengan cepat mencapai kecepatan terminal, di mana jari-jarinya ditentukan, yang nilainya ternyata R = 4,37 x10 ^-7 m.

Bidang seragam menyala, diarahkan vertikal ke atas, dan memiliki magnitudo 9,66 kN / C. Dengan cara ini dicapai bahwa penurunan tetap ditangguhkan saat istirahat.

Ini bertanya:

a) Hitung muatan tetesan

b) Tentukan berapa kali muatan unsur dikandung dalam muatan jatuh.

c) Tentukan jika memungkinkan, tanda beban.

Gambar 3. Tetesan minyak di tengah medan listrik konstan. Sumber: Dasar-dasar Fisika. Rex-Wolfson.

Solusi untuk

Sebelumnya, ekspresi berikut diturunkan untuk setetes saat diam:

Mengetahui massa jenis dan jari-jari tetesan, massa tetesan ditentukan:

Jadi:

Oleh karena itu, muatan drop adalah:

Solusi b

Mengetahui bahwa beban fundamental adalah e = 1,6 x 10 ^-19 C, bagi beban yang diperoleh pada bagian sebelumnya dengan nilai ini:

Hasilnya adalah bahwa muatan pada drop kira-kira dua kali (n≈2) muatan unsur. Ini tidak benar-benar dua kali lipat, tetapi sedikit perbedaan ini disebabkan oleh adanya kesalahan eksperimental yang tak terelakkan, serta pembulatan di setiap perhitungan sebelumnya.

Solusi c

Dimungkinkan untuk menentukan tanda muatan, berkat fakta bahwa pernyataan itu memberikan informasi tentang arah medan, yang diarahkan secara vertikal ke atas, serta gaya.

Garis-garis medan listrik selalu diawali dengan muatan positif dan diakhiri dengan muatan negatif, oleh karena itu pelat bawah bermuatan tanda + dan pelat atas dengan tanda - (lihat gambar 3).

Karena jatuhnya diarahkan ke lempengan di atas, didorong oleh medan, dan karena muatan dari tanda berlawanan saling menarik, jatuhnya harus bermuatan positif.

Sebenarnya menahan drop tidak mudah dilakukan. Jadi, Millikan menggunakan perpindahan vertikal (naik turun) yang dialami oleh penurunan tersebut dengan mematikan dan menghidupkan medan, ditambah perubahan dalam muatan sinar-X dan waktu tempuh, untuk memperkirakan berapa banyak muatan tambahan yang diperoleh dari penurunan tersebut.

Muatan yang diperoleh ini sebanding dengan muatan pada elektron, seperti yang telah kita lihat, dan dapat dihitung dengan waktu naik dan turun, massa penurunan dan nilai g dan E.

Referensi

1. Pikiran Terbuka. Millikan, fisikawan yang datang untuk melihat elektron. Diperoleh dari: bbvaopenmind.com
2. Rex, A. 2011. Dasar-dasar Fisika. Pearson.
3. Tippens, P. 2011. Fisika: Konsep dan Aplikasi. Edisi ke-7. McGraw Hill.
4. Amrita. Eksperimen tetes minyak Millikan. Diperoleh dari: vlab.amrita.edu
5. Wake Forest College. Eksperimen tetes minyak Millikan. Diperoleh dari: wfu.edu