Pengukuran Kadar Air pada Lada Putih dengan Metode Kapasitor

PENGUKURAN KADAR AIR PADA LADA PUTIH DENGAN METODE KAPASITOR PLAT SEJAJAR
Putri Lusiando1, Adita Sutresno1,2, Andreas Setiawan1,2
1
Program Studi Pendidikan Fisika, Fakultas Sains dan Matematika
2
Program Studi Fisika, Fakultas Sains dan Matematika
Universitas Kristen Satya Wacana,
Jl. Diponegoro 52-60, Salatiga 50711, Indonesia
Abstrak
Kadar air merupakan karakteristik penting dalam
pengolahan lada,dimana berhubungan dengan daya awet
produk. Namun pada umumnya petani tidak memiliki alat
ukur kadar air. Berangkat dari permasalahan tersebut, pada
penelitian ini akan merancang dan membuat alat ukur
kadar air sederhana dengan metode kapasitor plat sejajar.
Kapasitor plat sejajar dalam penelitian ini terbuat dari plat
PCB yang berbentuk kotak. Proses yang dilakukan adalah
dengan membuat tingkatan kadar air pada masing-masing
sampel, kemudian sampel dimasukkan ke dalam kapasitor
plat sejajar yang sudah terhubung dengan kapasitansi
meter digital dengan demikian dapat diketahui nilai dari
kapasitansi sampel tersebut. Dari hasil penelitian
didapatkan bahwa nilai kapasitansi lada meningkat seiring
dengan bertambahnya kadar air yang terkandung di dalam
lada. Hal ini menunjukkan bahwa kapasitor plat sejajar
dapat digunakan sebagai alat ukur kadar air.
Kata kunci : kapasitansi,kapasitor plat sejajar,kadar air,lada
1. PENDAHULUAN
Lada merupakan salah satu komoditas yang memiliki nilai ekonomis tinggi dan luas
penggunaannya. Kebutuhan lada untuk pasar dunia (world market) tidak kurang dari 125 ribu
ton per tahun, sementara produk lada yang dihasilkan petani rata-rata 42 ribu ton pertahun,
ini berarti Indonesia hanya bisa memenuhi permintaan pasar dunia sepertiganya sisanya
dipenuhi oleh Brasil, India, beberapa negara lainnya. Padahal, petani lada Indonesia masih
bisa memanfaatkan peluang pasar tersebut dengan cara meningkatkan mutu (kualitas)
lada.[1]
Pengolahan lada secara tradisional yang biasa dilakukan petani lada di Indonesia
adalah melalui perendaman buah lada hasil panen dalam air selama 7-10 hari, kemudian biji
lada dibersihkan dari sisa kulit buah dan dikeringkan.[2] Pengeringan lada menjadi suatu
proses yang sangat penting dalam pengolahan lada. Petani lada tradisional menentukan
tingkat kering lada berdasarkan pengalaman yaitu dengan menggenggam lada ditangan dan
dilepaskan. Apabila seluruh biji lada lepas tercerai berai berarti lada sudah cukup kering.
1
Pada umumnya petani tidak memiliki alat ukur kadar air, hal ini menyebabkan variasi yang
cukup tinggi terhadap kadar air lada.[3]
Kadar air di dalam lada merupakan salah satu karakteristik penting dalam
pengolahan lada, dimana berhubungan dengan daya awet produk. Semakin tinggi kadar air
maka mikroba akan semakin mudah tumbuh dan menyebabkan rendahnya kualitas lada
dipasaran.
Tujuan penelitian ini adalah merancang alat baru untuk mengukur kadar air lada
dengan metode kapasitor plat sejajar yang dihubungkan dengan kapasitansi meter digital.
Sehingga keluarannya adalah nilai kapasitansi yang dihubungkan dengan tingkatan kadar air
pada lada. Manfaat dari penelitian ini adalah merancang alat ukur baru untuk mengukur
kadar air. Sehingga dapat membantu petani tradisional dalam meningkatkan mutu (kualitas)
lada.
2. DASAR TEORI
2.1 LADA
Lada (piper ningrum.L.) adalah tumbuhan yang memanjat dengan akar pelekat, yang
berdiameter batang 5-15 mm, daun berseling atau tersebar, bertangkai dengan daun
penumpu yang mudah gugur. Lada termasuk genus Piper, famili Piperaceae, ordo Piperales,
sub klas Dycotyledone, dan klas Angiospermae. Ordo Piperales adalah salah satu cabang yang
paling primitif. Batang tumbuhan lada memiliki sifat yang khas sehingga dianggap merupakan
peralihan antara tumbuhan Dicotyledonae dan Monocotyledonae dimana jaringan
pengangkut terletak dalam dua liangkaran lebih[5]. Tumbuhan lada merupakan hasil
pertanian daerah tropik yang banyak digunakan untuk obat-obatan dan rempah-rempah.
2.2 KAPASITANSI
Kapasitansi didefinisikan sebagai kemampuan suatu kapasitor untuk dapat
menampung muatan listrik. Kapasitor adalah suatu piranti yang digunakan untuk menyimpan
muatan dan energi. Kapasitor dibentuk dari dua penghantar yang terisolasi, dipisahkan pada
jarak dan mempunyai luasan tertentu. Salah satu jenis kapasitor adalah kapasitor keping
sejajar.
Coulomb pada abad 18 menghitung bahwa 1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron.
Kemudian Michael Faraday membuat postulat bahwa sebuah kapasitor akan memiliki
kapasitansi sebesar 1 farad jika diberikan tegangan 1 volt, sehingga dapat memuat muatan
elektron sebanyak 1 coulomb. Besar muatan yang disimpan kapasitor sebanding dengan
beda potensial :
=
(1)
Dengan,
= besar muatan kapasitor (Coulomb),
= kapasitansi kapasitor (farad),
= beda potensial (Volt).
2
Sifat kapasitif bahan akan diperboleh dengan menempatkan dua buah plat kapasitor
sejauh d dan di antara plat diberikan tegangan listrik sebesar V volt sehingga terjadi medan
listrik sebesar :
=
∆
(2)
Dengan,
E = medan listrik (J/C),
∆V = perubahan tegangan (Volt),
d = jarak antara dua plat kapasitor (meter).
Besar arus I yang mengalir dari sebuah kapasitor C berbanding lurus dengan laju
perubahan V terhadap waktu t di dalam kapasitor C sehingga :
=
=
(3)
Nilai kapasitansi suatu kapasitor ditentukan oleh faktor geometri dan sifat bahan
dielektrik. Untuk kapasitor plat sejajar, faktor geometri ditentukan oleh luas permukaan
elektroda A dan tebal dielektrik atau jarak antara dua plat kapasitor d. Pada ruang hampa
udara kapasitas kapasitor ditentukan oleh :
(4)
=
Dengan,
C0 = kapasitansi ruang hampa,
= permitivitas ruang hampa (8,85 x 10
F),
2
A = luas permukaan elektroda (m ),
d = jarak antar plat kapasitor atau tebal bahan dielektrik.
Sifat bahan dielektrik ditentukan oleh konstanta dielektrik bahan . Bahan ini
merupakan bahan non konduktor yang tidak memiliki elektron-elektron bebas sehingga tidak
dapat menghantarkan listrik. Secara mikro, molekul-molekul bahan dielektrik bergerak acak
tetapi jika diberi medan listrik luar maka timbul medan listrik yang arahnya berlawanan
dengan medan listrik luar.
Jika molekul dielektrik bersifat polar maka akan terbentuk suatu momen dipol dalam
pengaruh medan listrik.
Adanya gaya torsi (torka) menyebabkan dielektrik akan
menyerahkan diri dengan medan listrik, yang tergantung pada kuat medan dan temperatur.
Jika molekul-molekul dielektrik bersifat non polar, molekul-molekul dielektrik akan
menginduksi momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik dan dikatakan
terpolarisasi oleh medan. Dipol-dipol molekuler menghasilkan suatu medan listrik tambahan
yang arahnya berlawanan dengan medan awal, sehingga dapat melemahkan medan awal.
Pengaruh total dari polarisasi suatu dielektrik homogen adalah hadirnya muatan
permukaan pada bidang batas antara dielektrik dan plat kapasitor. Muatan permukaan yang
terikat pada dielektrik ini menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan arah medan
listrik yang disebabkan oleh muatan bebas pada konduktor-konduktor. Akibatnya medan
listrik diantara plat kapasitor menjadi lemah.
Jika ruang di antara dua konduktor pada suatu kapasitor ditempatkan bahan
dielektrik maka kapasitansinya dirumuskan :
3
( ) =
( )
=
(5)
Dengan,
= permitivitas bahan,
= permitivitas ruang hampa,
= konstanta dielektrik.
Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh kuat atau lemahnya medan listrik di antara
keping kapasitor akibat kehadiran dielektrik. Manfaat bahan dielektrik pada kapasitor adalah
agar tegangan yang lebih tinggi dapat dipasang pada kapasitor dan menambah kapasitansi
kapasitor.
Nilai konstanta dielektrik dapat dinyatakan sebagai perbandingan kapasitansi C,
terhadap kapasitansi ruang hampa
dapat ditulis dalam persamaan berikut :
=
=
(6)
3. METODOLOGI PENELITIAN
3.1 Pembuatan Alat
Kapasitor plat sejajar dalam penelitian ini terbuat dari dua plat PCB berbentuk
kotak dengan dimensi 0,1 × 0,016 × 0,1 . Pada bagian tengah masing-masing plat
dibuat lingkaran tembaga dengan diameter 0,08m, dimana lingkaran tembaga diperuntukkan
sebagai luas permukaan elektroda pada kapasitor plat sejajar. Luas permukaan elektroda
dibuat lingkaran bertujuan untuk mendapatkan persebaran muatan yang merata diseluruh
= 3.14. 0,04 = 5,024 × 10
,
permukaan plat. Luas area plat tembaga ( ) =
jarak antar plat ( ) = 0,016 dan = permitivitas ruang hampa (8,85 x 10
F). Seperti
pada gambar.1
Gambar. 1 kapasitor plat sajar
3.2 Pengambilan Data
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah lada putih kering,
kapasitansi meter digital, neraca digital, gelas ukur, termometer ruangan, stopwatch, wadah
tertutup dan air. Langkah pertama yang dilakukan adalah membagi lada kering menjadi 17
sampel dimana masing-masing sampel memiliki massa = 85,04 gr. Setiap sampel direndam
dengan waktu yang sudah ditentukan yaitu kelipatan 20 menit per sampel. Setelah 20 menit
sampel pertama dibuang airnya dan ditiriskan hingga tidak ada air yang mengalir, sampel
ditimbang kembali untuk mengetahui perubahan massa lada setelah perendaman.
4
Kemudian sampel dimasukkan dalam kapasitor plat sejajar yang sudah terhubung dengan
kapasitansi meter digital (seperti gambar. 2). Perlakuan yang sama dilakukan untuk sampelsampel berikutnya hingga sampel ke 17.
Dengan mengetahui massa lada sebelum dan sesudah perendaman maka kadar air
diperoleh menggunakan persamaan berikut :
100%
=
(7)
Gambar. 2 Pengukuran nilai kapasitansi lada.
3.3 Pemodelan
Nilai kapasitansi lada yang diperoleh dari penelitian dapat dimodelkan dengan
mengasumsikan kapasitor plat sejajar dengan sebuah tabung silinder seperti pada gambar. 3.
Sehingga dapat diketahui luasan dari kapasitor plat sejajar dengan mengetahui volume dari
tabung silinder yaitu :
(8)
=
Gambar.3 kapasitor plat sejajar diasumsikan dengan tabung silinder.
Setelah mengetahui volume tabung silinder dapat diketahui jumlah biji lada di
dalam tabung silinder dengan menghitung banyaknya biji lada pada permukaan alas silinder
seperti pada gambar.4, dan diketahui jarak atau tinggi (t) tabung silinder serta diameter biji
lada maka dapat diketahui dengan persamaan :
5
=
( )
×
(9)
ℎ
Gambar.4 Lada pada permukaan alas silinder
Kapasitansi lada di dalam tabung silinder dianggap terdiri dari tiga unsur yaitu lada,
udara, dan air.
Gambar.5 Lada didalam tabung silinder
Volume udara dari volume tabung silinder yang merupakan hasil pengurangan dari
volume tabung silinder dengan jumlah total lada yang dikalikan dengan volume biji lada. Luas
plat untuk udara merupakan hasil bagi volume udara dengan diameter kapasitor plat sejajar.
Sedangkan nilai kapasitansi udara dapat diperoleh dari hasil kali permitivitas ruang hampa
(8,85 x 10-12 F) dengan konstanta dielektrik bahan (udara) serta hasil bagi luas udara (Audara)
dengan jarak antar plat (d).
=
=
=
−(
×
)
(10.a)
Volume air dan lada adalah hasil pengurangan dari volume silinder dengan volume
udara dengan demikian dapat diketahui volume dari air yaitu volume air dan udara dikalikan
dengan kadar air dalam persen. Luas plat untuk air adalah hasil bagi dari volume air dengan
diameter kapasitor. Nilai kapasitansi dapat diperoleh dari hasil kali permitivitas ruang hampa
(8,85 x 10-12 F) dengan konstanta dielektrik bahan (air) serta hasil bagi luas air dengan jarak
antar plat.
6
=
=
−
×
=
%
(10.b)
=
Volume lada sendiri dapat diperoleh dari hasil pengurangan dari volume air +lada
dengan volume air. Luas plat untuk lada adalah hasil bagi dari volume lada dengan diameter
kapasitor. Sedangkan untuk nilai kapasitansi dapat diperoleh dari hasil kali permitivitas ruang
hampa (8,85 x 10-12 F) dengan konstanta dielektrik bahan (lada) serta hasil bagi luas air
dengan jarak antar plat.
=
−
=
(10.c)
=
Dengan demikian jika tiga kapasitor tersebut dipararelkan maka nilai kapasitansi
dapat diperoleh dengan persamaan berikut :
=
+
+
(11)
4. HASIL dan ANALISA
4.1 Analisis rancangan alat
Dalam penelitian ini kapasitor plat sejajar terbuat dari plat PCB. Plat PCB berbentuk
kotak dimana pada bagian tengah dibuat lingkaran tembaga dengan diameter 0,08m
bertujuan untuk mendapatkan persebaran elektron yang merata di seluruh permukaan plat.
= 3.14. 0,04 =
Kapasitor plat sejajar dibuat dengan luas area plat tembaga ( ) =
5,024 × 10
, jarak antar plat ( ) = 0,016
dan permitivitas ruang hampa ( ) =
8.85 × 10
. Sehingga dapat dihitung kapasitansi minimal dari kapasitor plat sejajar yaitu
:
=
= 8,85 x 10
= 2,7789 × 10
,
×
,
Kemampuan minimal kapasitor plat sejajar ini untuk dapat menampung muatan
listrik adalah sebesar 2,7789 × 10
pada ruang hampa udara. Sedangkan kapasitansi
maksimal dari kapasitor plat sejajar jika keseluruhannya air adalah :
=
= 8,85 x 10
. 80.
,
,
×
= 2,22312 × 10
Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh lemahnya medan listrik diantara keping
kapasitor akibat kehadiran bahan dielektrik (air), dimana muatan permukaan yang terikat
pada dielektrik ini menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan arah medan listrik
yang disebabkan oleh muatan bebas pada konduktor-konduktor.
7
4.2 Analisis peningkatan nilai kapasitansi
4.2a Analisis peningkatan kadar air terhadap waktu perendaman
25
y = 0,768x + 9,511
R² = 0,954
kadar air (%)
20
15
10
5
0
0
5
10
15
waktu perendaman(menit)
20
Grafik. 1 kadar air terhadap waktu perendaman
Pada grafik.1 terlihat bahwa kadar air dipengaruhi oleh waktu perendaman, semakin
lama perendaman kadar air yang terkandung pada lada semakin tinggi. Kadar air pada
sampel 14 dan 15 menunjukkan penurunan hal ini dikarenakan lada sudah jenuh air.
4.2b Analisis Pemodelan
Berdasarkan hasil pengukuran menunjukkan bahwa nilai kapasitansi lada cenderung
meningkat jika kadar air meningkat. Kenyataan ini sesuai dengan perhitungan pemodelan
yang digunakan untuk perhitungan nilai kapasitansi. Grafik hubungan antara kapasitansi lada
dengan berbagai tingkatan kadar air dapat dilihat pada Grafik.3
y = 2E-12x + 1E-10
R² = 0,915
6E-11
1,6E-10
1,4E-10
1,2E-10
4E-11
y = 7E-13x + 3E-11
R² = 1
3E-11
1E-10
8E-11
6E-11
2E-11
4E-11
1E-11
2E-11
kapasitansi 2 (F)
kapasitansi 1 (F)
5E-11
0
0
0
5
10
15
20
25
kadar air (%)
Grafik.3 Grafik nilai kapasitansi pada berbagai tingkatan kadar air.
Grafik dengan simbol kapasitansi 1 adalah grafik nilai kapasitansi hasil pengukuran
pada penelitian menggunakan kapasitansi meter digital. Grafik dengan simbol
adalah
nilai kapasitansi hasil perhitungan dengan pemodelan. Dari grafik menunjukkan bahwa
8
5.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
kondisi yang relatif sama yang di tunjukkan dengan trendline, artinya bahwa dengan
mengabaikan nilai kapasitansi dari keduanya trend yang dihasilkan adalah sama sehingga
untuk menghasilkan nilai riil yang sesungguhnya hanya menunjukkan faktor penggali antara
kapasitansi 1 dengan kapasitansi 2.
Kesimpulan
1. Kapasitor plat sejajar yang dirancang dapat digunakan untuk mengetahui tingkat
kadar air pada lada dengan diketahui nilai kapasitansinya.
2. Nilai kapasitansi lada dipengaruhi oleh kadar air yang terkandung didalam lada.
Dimana semakin tinggi kadar air maka nilai kapasitansi semakin tinggi pula, demikian
juga pada kadar air rendah nilai kapasitansinya juga rendah.
3. Pemodelan yang digunakan yaitu dengan hubungan pararel antara kapasitansi udara,
=
+
+
) mendekati hasil
kapasitansi air, kapasitansi lada (
percobaan.
Daftar Pustaka
Erick Sitanggang : Analisis Usahatani dan Tataniaga Lada Hitam (Studi kasus : Desa Lau
Sireme, Kecamatan Tiga Lingga, Kabupaten Dairi), USU Repository 2008.
R. Bambang Djajasukmana : Teknik Pembuat Alat Pengupas Kulit Lada Tipe Piringan, Buletin
Teknik Pertanian Vol. 15, No. 2, 2010: 70-74.
Tatang Hidayat, Nanan Nurdjannah dan Risfaheri : Pengeringan Lada Hitam dengan Alat
Pengering Tipe Bak, Buletin Litro Vol. VIII, No. 1 1993.
Eka Norma Susilawati G74102023 : Kajian Sifat Listrik dan Fisik Berbagai Jenis Buah Jeruk
pada Tigkatan Ketuaannya, Institut Pertanian Bogor 2006.
Tatar Simanjuntak F01498010 : Pengukuran Nilai Sifat Dielektrik Lada (Piper ningrum L.) dan
Andaliman (Zanthoxylum acanthopodium DC.) pada Kisaran Frekuensi Radio, Institut
Pertanian Bogor 2002.
Siti Komisah : Pembuatan Alat Uji Teknis Sifat Dielektrik Bahan Cair, Institut Pertanian Bogor
2001.
9