BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Konstanta

BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Konstanta dielektrik adalah perbandingan nilai kapasitansi kapasitor pada
bahan dielektrik dengan nilai kapasitansi di ruang hampa. Konstanta dielektrik atau
permitivitas listrik relatif juga diartikan sebagai konstanta yang melambangkan
rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan bila diberi potensial listrik. Konstanta
ini merupakan perbandingan energi listrik yang tersimpan pada bahan tersebut jika
diberi sebuah potensial, relatif terhadap ruang hampa. Sifat dielektrik merupakan sifat
yang menggambarkan tingkat kemampuan suatu bahan untuk menyimpan muatan
listrik pada beda potensial yang tinggi. Secara praktis, sifat dielektrik sering dikaitkan
dengan kelistrikan bahan isolator yang ditempatkan di antara dua keping kapasitor.
Apabila bahan isolator itu dikenai medan listrik yang dipasang di antara kedua keping
kapasitor, maka di dalam bahan tersebut dapat terbentuk dwikutub (dipole) listrik.
Sehingga pada permukaan bahan dapat terjadi muatan listrik induksi. Bahan dengan
sifat seperti ini disebut sebagai bahan dielektrik (Sutrisno dan Gie, 1983).
Bahan dielektrik adalah bahan yang tidak memiliki muatan bebas yang
berpengaruh penting terhadap sifat kelistrikan bahan tersebut. Bahan dielektrik sangat
penting dalam kelistrikan karena beberapa sifatnya dapat menyimpan muatan listrik,
melewatkan arus bolak-balik (AC) dan menahan arus searah (DC). Bahan dielektrik
juga dapat diartikan suatu bahan yang memiliki daya hantar arus yang sangat kecil
atau bahkan hampir tidak ada. Bahan dielektrik ini dapat berwujud padat, cair dan
gas. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di
dalamnya tidak mengalami pergerakan sehingga tidak akan timbul arus seperti bahan
konduktor ataupun semikonduktor, tetapi hanya sedikit bergeser dari posisi
setimbangnya yang mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Pengutuban
1
2
tersebut menyebabkan muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik,
sedangkan muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif
medan listrik). Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan
dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi
bahan dielektrik menurun. Sifat inilah yang menyebabkan bahan dielektrik itu
merupakan isolator yang baik (Utomo, 2011).
Bahan
dielektrik
adalah
jenis
bahan isolator
listrik yang
dapat dikutubkan (polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik tersebut
dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang
terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti
bahan konduktor,
tapi
hanya
sedikit
bergeser
dari
posisi
setimbangnya
mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Jika bahan dielektrik terdiri dari
molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya
menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya
mengikuti arah medan listrik.
Bahan dielektrik ada dua jenis, yakni polar dan non-polar. Molekul dielektrik
polar berarti bahwa molekul dielektrik tersebut ketika dalam keadaan tanpa medan
listrik, antara elektron dan intinya telah membentuk dipol. Sedangkan molekul nonpolar ketika tidak ada medan listrik antara elektron dan inti tidak tampak sebagai dua
muatan terpisah. Dielektrik molekul polar maupun non polar bila diletakkan dalam
medan listrik akan mengalami polarisasi. Pada permukaan dielektrik yang
terpolarisasi terdapat muatan-muatan negatif disatu bagian dan muatan positif di
bagian lainnya pada permukaan tersebut. Muatan-muatan ini bukan muatan bebas,
tetapi masing-masing terikat pada molekul yang terletak didekat permukaan, dan
selebihnya dielektik bermuatan total nol (Sehah, 2009).
Setiap bahan isolator mempunyai sifat dielektrik yang berbeda-beda. Bahan
dengan sifat dielektrik yang cukup baik, banyak dimanfaatkan sebagai bahan baku
pada industri terutama industri elektronik dan bangunan. Bahan yang memiliki sifat
isolator yang baik misalnya tanah dapat digunakan untuk pembuatan keramik. Selain
3
itu ada juga material keramik yang sangat bagus untuk bahan baku industri seperti
CCTO yang memiliki sifat dielektrik sangat bagus sehingga sangat bermanfaat pada
piranti elektronik seperti kapasitor, piranti memori, piranti gelombang mikro dan thin
film. Selain itu juga CCTO dapat digunakan untuk membuat piranti elektronik yang
berukuran kecil (Eryolamda, 2010).
Metode pengukuran konsentrasi bahan dielektrik yang umum digunakan adalah
menggunakan metode lissajous (loss tangen). Metode lissajous merupakan metode
sederhana karena hanya menggunakan beberapa peralatan sederhana seperti osiloskop
sinar katoda (Cathode Ray Oscilloscope, CRO), generator isyarat, resistor serta
keping logam sejajar. Kelebihan metode ini adalah proses pengujiannya relatif cukup
singkat yaitu hanya mengukur beberapa nilai tegangan berdasarkan tampilan kurva
lissajous pada CRO serta mengatur frekuensi medan listrik dari generator isyarat. Kemudian
dengan formulasi yang tersedia, maka nilai permitivitas maupun rugi dielektrik dapat
dihitung. Sementara kekurangan dari metode ini adalah sistim pengukurannya yang harus
dilakukan dalam laboratorium dan butuh waktu serta ketelitian lebih dalam membaca kurva
tampilan osiloskop untuk menentukan konstanta dielektrik dari suatu bahan atau material uji
(Wang S., 2003).
Metode
lain
untuk pengukuran
konsentrasi bahan
dielektrik
adalah
menggunakan Diffferential Scanning Calorimetry (DSC). DSC digunakan untuk
mempelajari perubahan entalpi dari sampel lateks karet alam saat dipanaskan di
bawah suhu terkontrol. Perubahan total entalpi sampel dalam kisaran suhu ini
ditafsirkan sebagai akibat variasi kuantitas air yang ditambahkan kedalam sampel.
Pengukuran dilakukan dengan cara menimbang karet alam sebelum dimasukkan ke
sistem DSC untuk dikeringkan. Dengan menggunakan formulasi perubahan entalpi
dan kurva normalisasi DSC, diketahui kadar karet kering dari berbagai jenis karet
alam yang dijadikan sampel. Metode ini dapat digunakan untuk memperkirakan kadar
atau konsentrasi karet kering yang biasa disebut dry rubber content (DRC) dari karet
alam secara akurat. Akan tetapi dibutuhkan waktu yang cenderung lama untuk
pengujian beberapa sampel bahan. (Rejikumar dan Philip, 2010).
4
1
Kemudian metode pengukuran konsentrasi bahan seperti konsentrasi atau kadar
karet kering menggunakan photoelectric sensor juga dilaporkan oleh Zhao tahun
2010. Dalam penentuan konsentrasi atau kadar karet kering ini, sistem
pengukurannya terdiri dari sensor fotolistrik (photoelectric sensor), laser diode,
detektor jarak, two-stage amplifier modul, pengkonversi sinyal, mikroprosesor dan
sebagainya. Metode penentuan kadar ini mengikuti prinsip Lambert, dimana
reflektivitas sampel akan berbeda ketika kandungan sampel karet kering berbeda.
Hasil eksperimen ini menunjukkan bahwa persentase kandungan karet kering dalam
lateks pekat dapat diukur dengan cepat dan efektif untuk aplikasi real time (Zhao,
2010).
Selain metode-metode tersebut, dikembangkan juga metode pengukuran yang
berbasis sensor atau transduser. Salah satu jenis transduser yang dikembangkan
adalah transduser kapasitif yang bekerja berdasarkan fenomena Electrical
Capacitance Tomography (ECT). Tomography adalah proses visualisasi gambar dua
dimensi maupun tiga dimensi yang banyak digunakan dalam proses industri.
Electrical capacitance tomography (ECT) merupakan salah satu proses dalam
tomography. ECT terdiri dari tiga bagian utama yaitu sensor, sinyal kondisioning, dan
komputer. Sensor terbuat dari plat tembaga yang berfungsi sebagai elektroda untuk
mengukur perubahan kapasitansi, sinyal kondisioning berupa rangkaian elektronik
yang mengkonversi sinyal dari elektroda menjadi data digital, sedangkan komputer
berfungsi sebagai pengolah data dan rekonstruksi image menjadi gambar dua dimensi
atau tiga dimensi (Horng, 2003).
Fenomena pada sistem ECT ini kemudian diadopsi untuk pengembangan
transduser kapasitif Gamaprolad yang digunakan untuk mengukur kadar karet kering
dengan memanfaatkan perubahan kapasitansi dari suatu bahan uji yang mana hasil
pembacaannya berupa data tegangan dan konsentrasi larutan bahan. Sebelum
digunakan, transduser kapasitif telah diverifikasi
berdasarkan ASTM D.1076-02
terhadap sampel larutan getah lateks oleh Laboratorium Penguji Balai Penelitian
Teknologi Karet Bogor (Yusuf, 2009). Sehingga dalam penelitian ini, transduser
5
kapasitif digunakan untuk pengukuran konsentrasi larutan seperti larutan gula yang
merupakan larutan non-elektrolit serta bersifat nonpolar. Larutan gula digunakan
dalam penelitian ini karena memiliki konstanta dielektrik (sekitar 1,8 sampai dengan
3) yang mendekati konstanta dielektrik karet alam (berkisar antara 2 sampai 4) dan
larutan gula dengan konsentrasi lebih dari 50% juga cenderung menyerupai bentuk
karet alam segar (latex). Sehingga larutan gula dengan variasi konsentrasinya yang
digunakan dalam penelitian ini, dianggap dapat mewakili sifat dari bahan dielektrik
non-polar.
Selain larutan gula, digunakan larutan elektrolit sebagai pembanding yaitu
larutan NaOH yang merupakan basa kuat (kaustik). Sehingga dapat dilihat perbedaan
respon transduser kapasitif dalam pengukuran konsentrasi larutan elektrolit dan nonelektrolit. Penelitian ini juga bertujuan untuk menguji performa transduser kapasitif
terutama dalam hal ketelitian dan ketidakpastiannya (aspek metrologi) dalam
penentuan konsentrasi ataupun kadar bahan yang diukur menggunakan sistemnya.
1.2 Rumusan Masalah
Dalam penelitian ini dilakukan pengukuran konsentrasi larutan menggunakan
transduser kapasitif. Adapun rumusan masalah dalam penelitian ini, antara lain:
1. Bagaimana transduser kapasitif dalam pengukuran konsentrasi larutan suatu
bahan.
2. Bagaimana hubungan antara konsentrasi larutan dengan tegangan terukur hasil
pembacaan transduser kapasitif.
3. Faktor apa yang mempengaruhi perubahan nilai kadar yang terukur dari suatu
bahan atau larutan.
1.3 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian pengukuran konsentrasi larutan menggunakan
transduser kapasitif adalah sebagai berikut:
6
1. Menentukan konsentrasi bahan dalam bentuk larutan yang diperoleh melalui
pengukuran menggunakan transduser kapasitif.
2. Mengetahui pengaruh konsentrasi larutan terhadap tegangan yang terukur pada
transduser kapasitif.
3. Memahami lebih dalam tentang ketidakpastian dalam pengukuran menggunakan
transduser kapasitif (aspek metrologis).
1.4 Manfaat Penelitian
Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut;
1. Memberikan pemahaman tentang proses pembacaan dari transduser kapasitif
dalam penentuan konsentrasi suatu bahan
2. Menyajikan beberapa nilai hasil pengujian transduser kapasitif sebagai
instrument pengukur kadar karet kering yang dalam penelitian ini digunakan
untuk pengukuran konsentrasi bahan lain seperti larutan gula (non-elektrolit) dan
larutan NaOH (elektrolit).
3. Memberikan tambahan pengetahuan bagi mahasiswa pada khususnya dan
masyarakat luas pada umunya tentang penelitian-penelitian dibidang fisika
material dan instrumentasi.
4. Memberikan informasi tentang ketidakpastian dalam pengukuran terutama
ketidakpastian pengukuran menggunakan transduser kapasitif.