BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

Tanaman Jeruk

Tanaman jeruk adalah tanaman buah tahunan yang berasal dari Asia. Cina

dipercaya sebagai tempat pertama kali jeruk tumbuh. Sejak ratusan tahun yang

lalu, jeruk sudah tumbuh di Indonesia baik secara alami atau dibudidayakan.

Tanaman jeruk yang ada di Indonesia adalah peninggalan Belanda yang

mendatangkan jeruk manis dan keprok dari Amerika dan Itali (AAK 1994). Jenis

jeruk lokal yang dibudidayakan di Indonesia adalah Jeruk Keprok (Citrus

reticulata/nobilis L.), Jeruk Siem (C. microcarpa L. dan C.sinensis. L) yang terdiri

atas Siem Pontianak, Siem Garut, Siem Lumajang, Jeruk Manis (C. auranticum L.

dan C.sinensis L.), Jeruk Sitrun/Lemon (C. medica), Jeruk Besar (C.maxima

Herr.), Jeruk Nipis (C. aurantifolia), Jeruk Purut (C. hystrix) dan Jeruk Sambal

(C. hystix ABC). Jeruk varietas introduksi yang banyak ditanam adalah varitas

Lemon dan Grapefruit. Sedangkan varitas lokal adalah Jeruk Siem, Jeruk Baby,

Keprok Medan, Bali, Nipis dan Purut. Sentra jeruk di Indonesia tersebar meliputi:

Garut -Jawa Barat, Tawangmangu-Jawa Tengah, Batu -Jawa Timur, Tejakula-

Bali, Selayar-Sulawesi Selatan, Pontianak-Kalimantan Barat dan Medan -

Sumatera Utara. (Kantor Deputi Menegristek Bidang Pendayagunaan dan

Pemasyarakatan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi 2000).

Klasifikasi botani jeruk keprok adalah sebagai berikut (Van Steenis 1975):

Divisi : Spermatophyta

Subdivisi : Angiospermae

Kelas : Dicotyledoneae

Bangsa : Geraniales

Suku : Rutaceae

Marga : Citrus

Jenis : Citrus nobilis Lour

Semua jenis jeruk tidak suka tempat yang terlindung dari sinar matahari.

Jeruk memerlukan 5-6, 6-7 atau 9 bulan basah (musim hujan). Bulan basah ini

diperlukan untuk perkembangan bunga dan buah agar tanahnya tetap lembab. Di

Indonesia tanaman ini sangat memerlukan air yang cukup terutama di bulan Juli-

Agustus. Temperatur optimal antara 20-30 C namun ada yang masih dapat

tumbuh normal pada 38 C. Jeruk Keprok memerlukan temperatur optimal pada

20 C. Kecepatan angin yang lebih dari 40-48% akan merontokkan bunga dan

buah sehingga dibutuhkan tanaman penahan angin. Kelembaban optimum untuk

pertumbuhan tanaman ini sekitar 70-80% (Kantor Deputi Menegristek Bidang

Pendayagunaan dan Pemasyarakatan Ilmu Pengetahuan dan Teknologi 2000).

Tumbuhan Jeruk Keprok merupakan jenis pohon dengan tinggi 2-8 meter.

Tangkai daun bersayap sangat sempit sampai boleh dikatakan tidak bersayap,

panjang 0.5-1.5 cm. Helaian daun berbentuk bulat telur memanjang, elliptis atau

berbentuk lanset dengan ujung tumpul, melekuk ke dalam sedikit, tepinya

bergerigi beringgit sangat lemah dengan panjang 3.5-8 cm. Bunganya mempunyai

diameter 1.5-2.5 cm, berkelamin dua daun mahkotanya putih. Buahnya berbentuk

bola tertekan dengan panjang 5-8 cm, tebal kulitnya 0.2-0.3 cm, dan daging

8

buahnya berwarna jingga. Rantingnya tidak berduri dan tangkai daunnya selebar

1-1.5 mm (Van Steenis 1975).

Tinggi tempat dimana jeruk dapat dibudidayakan bervariasi dari dataran

rendah sampai tinggi tergantung pada spesies: Jenis Keprok Madura, Keprok

Tejakula: 1–900 m dpl. ; Jenis Keprok Batu 55, Keprok Garut: 700-1.200 m dpl. ;

Jenis Manis Punten, Waturejo, WNO, VLO: 300–800 m dpl. ; Jenis Siem: 1–700

m dpl. ; Jenis Besar Nambangan-Madiun, Bali, Gulung: 1–700 m dpl. ; Jenis

Jepun Kasturi, Kumkuat: 1-1.000 m dpl. ;Jenis Purut: 1–400 m dpl.

Tabel 2.1 Kandungan vitamin dan zat mineral lainnya setiap 100 gram buah jeruk Kandungan

Kadar

Jenis Jeruk

Keprok Manis Nipis Grape Fruit

Vitamin A (I.U.) 400.0 200.0 - - Vitamin B (I.U.) 60.0 60.0 60.0 60.0 Vitamin C (I.U.) 60.0 30.0 40.0 50.0 Protein (gram) 0.5 0.5 0.5 0.5 Lemak (gram) 0.1 0.1 - - Hidrat arang (gram) 8.0 10.0 3.0 4.0

Besi (mgr) - 0.3 0.1 0.1 Kapur (mgr) 40.0 40.0 10.0 20.0 Phosphor (mgr) 20.0 20.0 10.0 20.

Sumber :AAK 1994

Tabel 2.2 Volume impor buah-buahan pada tahun 2007-2011 di Indonesia

Komoditas Volume Impor (ton)

2007 2008 2009 2010 2011

Jeruk 119 740 143 770 216 785 203 916 231 542

Apel 146 655 141 239 155 277 199 484 214 245

Pir 94 558 86 755 90 390 111 276 133 592

Anggur 29 136 28 156 37 745 44 087 59 162

Durian 23 149 24 679 28 935 24 368 27 149

Pisang 25 56 328 2 779 1 631

Mangga 1 088 969 821 1 129 989

Semangka 921 390 761 1 036 832

Strawberi 639 833 567 452 564

Melon 111 100 632 364 348

Pepaya 57 163 300 580 299

Nanas 345 2 014 198 219 267

Nangka 5 - 18 35 66

Rambutan 87 - 33 23 27

Manggis 14 2 10 13 20

Langsat 9 0 284 146 5

Belimbing 1 1 4 4 1

Lainnya 86 585 72 944 107 576 102 791 161 339

Sumber: BPS 2012

9

Jika ditinjau dari segi hama dan penyakit buah jeruk maka ada beberapa

fenomena yang terjadi. Diantaranya adalah tungau, penggerek buah, kutu

domplotan, lalat buah, kutu sisik, kudis, busuk buah, gugur buah prematur dan

kanker. Tungau (Tenuipalsus sp. , Eriophyes sheldoni Tetranychus sp) menyerang

bagian tangkai, daun dan buah. Sehingga muncul bercak keperakperakan atau

coklat pada buah dan bercak kuning atau coklat pada daun. Penggerek buah

(Citripestis sagittiferella.) dapat menimbulkan lubang yang mengeluarkan getah.

Kutu dompolon (Planococcus citri.) menyerang bagian tangkai buah sehingga

berkas berwarna kuning, mengering dan buah gugur. Lalat buah (Dacus sp.)

menyerang bagian buah yang hampir masak. Terlihat gejala adanya lubang kecil

di bagian tengah, buah gugur, belatung kecil di bagian dalam buah.

Kutu sisik (Lepidosaphes beckii Unaspis citri.) dapat menyerang bagian

daun, buah dan tangkai. Daun berwarna kuning, bercak khlorotis dan gugur daun.

Busuk buah disebabkan oleh Penicillium spp. Phytophtora citriphora,

Botryodiplodia theobromae. Indikasi yang terlihat adalah: terdapat tepung-tepung

padat berwarna hijau kebiruan pada permukaan kulit. Kanker disebabkan oleh

bakteri Xanthomonas campestris Cv. Citri. Bagian yang diserang adalah daun,

tangkai, dan buah. Kanker dicirikan dengan adanya bercak kecil berwarna hijau-

gelap atau kuning di sepanjang tepi, luka membesar dan tampak seperti gabus

pecah dengan diameter 3-5 mm.

Tabel 2.3 Volume ekspor buah-buahan pada tahun 2007-2011 di Indonesia

Komoditas Volume Ekspor (ton)

2007 2008 2009 2010 2011

Manggis 9 093 9 466 11 319 11 388 12 603

Pisang 2 378 1 970 701 14 1 735

Mangga 1 198 1 908 1 616 999 1 485

Jeruk 1 109 1 402 1 108 1 339 1 005

Anggur 520 103 97 148 555

Rambutan 396 725 666 533 496

Pepaya 37 0 143 111 468

Melon 52 39 148 229 256

Semangka 370 1 144 483 42 169

Apel 130 171 143 86 112

Strawberi 582 211 403 374 82

Nangka 2 2 16 28 4

Belimbing 0 0 0 0 0

Pir 19 1 1 - 0

Durian 2 33 21 25 -

Langsat - 45 43 - -

Buah Lainnya 31 629 36 961 28 115 22 019 14 818

Sumber: BPS 2012

10

Dalam tiap - tiap 100 gram buah jeruk mengandung vitamin dan zat mineral

seperti Tabel 2.1. Vitamin-vitamin dan zat-zat mineral di atas berguna sebagai

pencegah kekurangan vitamin C, begitu pula dapat menyembuhkan penyakit

influenza dan banyak khasiat lainnya (Simarmata 2010).

Kondisi Indonesia dewasa ini sangat memprihatinkan dalam hal pemenuhan

akan buah jeruk dalam negeri. Hampir semua buah jeruk didominsi oleh produk

luar negeri. Indonesia termasuk negara pengimpor buah jeruk yang tinggi. Bahkan

mengalami peningkatan yang besar hampir 20% per tahun. Sementara ekspor

buah jeruk tidak mengalami peningkatan. Hal ini dilaporkan oleh Badan Pusat

Statistik sejak tahun 2007 sampai 2011 seperti Tabel 2.2 dan 2.3.

Jeruk Keprok Garut

Jeruk keprok merupakan komoditi buah-buahan yang sejak lama tumbuh

subur di Kabupaten Garut. Penampilan jeruk ini dapat dilihat seperti pada Gambar

2.1. Berbagai varietas jeruk juga dapat ditemui seperti Jeruk Keprok Garut, Siem,

Licin, dan Konde. Tahun 1986 Jeruk Garut mengalami penurunan populasi akibat

adanya letusan Gunung Galunggung dan serangan CVPD. Berbagai upaya telah

dilakukan sejak tahun 1992 baik berupa rehabilitasi tanaman sakit, maupun

pembibitan bebas CVPD, sehingga pertanaman jeruk sampai tahun 2004

menghasilkan produksi sebesar 67 601 ton. Tahun 1996 Jeruk Garut telah diakui

merupakan tanaman khas Garut, hal ini tertuang dalam SK Mentan,

No.760/Kpts/TP.240/6/99 Tentang Pelepasan Jeruk Keprok Garut sebagai Varitas

Unggulan. Saat ini, Kabupaten Garut telah memiliki Balai Benih Hortikultura

(Blok Penggandaan Mata Tempel). BBH ini pada dasarnya tetap mengedepankan

komoditi Jeruk sebagai komoditi andalan disamping buah-buahan spesifik lainnya

dan tanaman hias. Daerah sentra yang dikenal sebagai produsen Jeruk Garut

diperlihatkan pada Tabel 2.4. (Dinas Tanaman Pangan dan Hortikultura

Kabupaten Garut 2009)

Tabel 2.4 Daerah sentra produsen Jeruk Keprok Garut di Kabupaten Garut

Kecamatan Jumlah Tanaman

(pohon)

Jumlah tanaman

menghasilkan (pohon) Produksi (ton)

Samarang 55 047 48 997 2 454

Pasirwangi 60 927 30 000 1 559

Wanaraja 1 620 600 30

Karangpawitan 34 457 17 850 955

Bayongbong 11 917 - -

Cisurupan 46 890 14 650 713

Cilawu 12 800 6 050 291

Cibalong 15 040 3 724 175

Sumber:Dinas Tanaman Pangan dan Hortikultura Kabupaten Garut 2009

11

Tabel 2.5 Banyaknya tanaman buah-buahan yang menghasilkan di Kabupaten

Garut pada tahun 2007 ( pohon )

Kecamatan Jeruk Siam/Keprok Mangga Nangka Nenas

Cilawu 4 500 12 300 2 053 13 100

Bayombong 17 057 6 448 4 694 -

Karangpawitan 43 652 6 590 160 -

Wanaraja 4 320 1 157 210 -

Cibalong 15 147 35 120 257 717

Cisurupan 48 591 3 900 3 040 -

Wanaraja 4 320 1 157 210 -

Pasirwangi 57 673 1 637 510 946 Sumber: Dinas Tanaman Pangan dan Hortikultura Kabupaten Garut 2009

Tabel 2.6 Banyaknya populasi tanaman jeruk di Kabupaten Garut ( pohon )

Tahun Populasi Tan. Jeruk (ph) Tahun Populasi Tan. Jeruk (ph)

1990 103 273 1999 476 417

1991 86 430 2000 390 858

1992 68 786 2001 228 589

1993 140 584 2002 246 952

1994 159 314 2003 252 718

1995 242 903 2004 349 461

1996 383 865 2005 381 850

1997 454 485 2006 384 599

1998 531 184 Sumber: Dinas Tanaman Pangan dan Hortikultura Kabupaten Garut 2009

Gambar 2.1 Jeruk Keprok Garut utuh dan bagian-bagian jeruk (Tetra 2004)

Tanaman jeruk di Kabupaten Garut pada umumnya belum diperkebunkan

dalam skala yang luas, berkisar antara 100 s/d 2000 pohon/petani, dengan rata-

rata pemilikan 300 s/d 500 pohon. Kondisinya berpencar-pencar, terutama di

wilayah kecamatan sentra produksi, yaitu Kecamatan Pasirwangi, Samarang,

Bayongbong, Cigedug, Cisurupan, Wanaraja, Leles, Karangpawitan, Tarogong,

Banyuresmi, Cilawu. Jumlah populasi tanaman yang ada pada tahun 2004 tercatat

349 461 pohon. Jumlah populasi terbesar terdapat di Kecamatan Samarang

(49.597 ph), Pasirwangi (69 679 ph), Cisurupan (44 090 ph) dan Sukaresmi

12

(26.810 ph) Produktivitas rata-rata baru mencapai 48.05 kg/ph/thn, dengan jumlah

tanaman menghasilkan 140 808 pohon, dan tanaman belum menghasilkan (umur

< 3 tahun) 208 653 pohon. Jumlah produksi tahun 2004 tercatat 67 601 kwintal

(Dinas Tanaman Pangan dan Hortikultura Kabupaten Garut 2009). Berdasarkan

Badan Pusat Statistik dan Dinas Tanaman Pangan dan Hortikultura Garut,

perkembangan populasi tanaman jeruk pada tahun 2007 terlihat pada Tabel 2.5

dan 2.6. Selain itu pemerintah Garut sudah menargetkan satu juta pohon pada

tahun 2011 dan swasembada jeruk pada tahun 2016.

Fisiologi Pascapanen Buah Jeruk Keprok

Kehidupan buah meliputi 3 tahap fisiologi utama yaitu pertumbuhan sel

(growth), pendewasaan (maturation) dan penuaan (senescence). Setelah proses

pembelahan sel pada cikal bakal buah kemudian akan dilanjutkan dengan

pembesaran ukuran dan pengembangan sel sampai mencapai volume dan ukuran

maksimal (Wills et al. 1989). Tahap pertumbuhan dan pendewasaan adalah tahap

perkembangan sel. Sementara pematangan merupakan akhir darui pendewasaan

dan awal penuaan. Pada tahap penuaan terjadi perubahan sifat-sifat fisik dan

kimia buah sampai akhirnya buah mengalami pembusukan atau kematian. Tahap

akhir kematangan sampai senescence berlanjut ketika buah lepas. Namun jeruk

merupakan buah yang memiliki tipe pola respirasi nonklimakterik yaitu pada saat

mendekati tahap senescence tidak menunjukan adanya perubahan laju produksi

CO2 dan etilen yang besar.

Etilen adalah hormon yang mengatur penuaan dan pemasakan yang aktif

dalam jumlah kecil (<0.1 ppm). Tingkat respirasi buah jeruk rendah, yaitu pada

kisaran 5oC mempunyai kecepatan 5-10 mg CO2/kg jam dan kecepatan produksi

etilen yang sangat rendah yaitu kurang dari 0.1µl C2H4/kg jam pada kisaran suhu

20oC (Margeyst 1999; Kader 1992; Ladaniya 2008). Respirasi buah jeruk

dipengaruhi oleh temperatur, kelembaban, pergerakan udara, gas atmosfir dan

praktek penaganan buah (Ladaniya 2008). Pada kelembaban rendah, kecepatan

respirasi jeruk lebih rendah daripada pada kelemaban tinggi. Peningkatan

temperatur akan meningkatakan laju respirasi.

Proses pematangan buah menyebabkan adanya perubahan fisik dan kimia

pada buah. Perubahan-perubahan tersebut dapat menentukan kualitas buah. Ketika

mendekati proses akhir hidupnya, buah jeruk akan mengalami penurunan mutu.

Hal ini dapat dilihat dari penampilan kulit buah yang keriput atau munculnya

kebusukan (Wills et al. 1989).

Perubahan fisiologi yang terjadi pada komoditi panenan meliputi perubahan

kimia yang akhirnya juga mempengaruhi terjadinya perubahan fisik. Beberapa

peristiwa dan perubahan yang mungkin terjadi selama pemasakan buah berdaging

adalah pematangan biji, perubahan warna, perubahan laju respirasi, perubahan

laju produksi etilen, perubahan permeabilitas jaringan, perubahan senyawa pektin

(pelunakan), perubahan komposisi karbohidrat, perubahan asam organik, produksi

senyawa volatil. Perubahan kimia yang terjadi meliputi perubahan kandungan

karbohidrat, etilen, asam, lipida, protein dan zat warna. Sedangkan perubahan

fisik meliputi perubahan warna, tekstur, dan perubahan citarasa (Santoso 2005).

Perubahan warna kulit dapat dijadikan tanda untuk tingkat kematangan buah

jeruk. Perubahan warna jeruk keprok yang terjadi selama kematangan hanya

13

sedikit warna hijau. Pengujian rasa untuk mengetahui kematangan buah tipe ini

paling baik dilakukan (Pantastico et al. 1993). Pada saat pematangan, pecahan

pektin dan polisakarida lainnya menyebabkan buah menjadi lunak sehingga lebih

sensitif terhadap gangguan mekanik. Pematangan akan menyebakan peningkatan

kadar gula sederhan, penurunan kadar asam organik dan senyawa fenolik, serta

peningkatan produksi zat-zat volatil untuk memberikan bau yang khas pada buah

(Muchtadi dan Sugiyono 1992).

Mutu dan Standar Buah Jeruk Keprok

Jeruk keprok termasuk digolongkan dalam empat ukuran yaitu kelas A. B. C

dan D. berdasarkan berat tiap buah. yang masing-masing digolongkan dalam dua

jenis mutu. yaitu Mutu I dan Mutu II (SNI 1992). Kelas A: diameter ≥ 7.1 cm atau

≥ 151 gram/buah. Kelas B: diameter 6.1–7.0 cm atau 101–150 gram/buah. Kelas

C: diameter 5.1–6.0 cm atau 51–100 gram/buah. Kelas D: diameter 4.0–5.0 cm

atau 50 gram/buah. Adapun syarat mutu buah jeruk keprok berdasarkan

Kementrian Perdagangan adalah seperti pada Tabel 2.7.

Tabel 2.7 Standar jeruk keprok Kementrian Perdagangan (Tim PS 2003)

Kriteria Mutu 1 Mutu 2 Keasamaan varietas: Seragam Seragam

Tingkat ketuaan Tua. tidak terlalu matang Tua. tidak terlalu matang

Kekerasan Keras Cukup keras

Ukuran Seragam Kurang seragam

Kerusakan% 5 10

Kotoran Bebas Bebas

Busuk % 1 2

Keasamaan sifat varietas, ketuaan, kekerasan dan kotoran dilakukan dengan

cara uji organoleptik. Sementara parameter lain dilakukan pengukuran sesuai

standar uji seperti ukuran cara uji SP-SMP-309-1981. Kerusakan. % (jml/jml):

cara uji SP-SMP-310-1981 dan Busuk % (jml/jml): cara uji SP-SMP-311-1981.

Berdasarkan SNI 3165 tahun 2009, buah jeruk keprok memiliki total padatan

terlarut minimum 8 % Brix. Derajat Brix menggambarkan nilai rata-rata

kemanisan dari keseluruhan bagian daging buah. Warna buah harus menunjukkan

ciri varietas dan atau tipe komersial serta lokasi tanam. Perlakuan pengkuningan

kulit buah (degreening) tidak diperbolehkan.

Kelas super merupakan jeruk keprok bermutu paling baik (super) yaitu

mencerminkan ciri varietas/tipe komersial, bebas dari kerusakan kecuali

kerusakan sangat kecil. Kelas A merupakan jeruk keprok bermutu baik yaitu

mencerminkan ciri varietas/tipe komersial, dengan kerusakan kecil yang

diperbolehkan sebagai berikut: sedikit penyimpangan pada bentuk, sedikit

penyimpangan pada warna kulit, sedikit penyimpangan pada kulit terkait dengan

pembentukan buah, sedikit bekas luka/cacat pada kulit akibat mekanis. Total area

yang mengalami penyimpangan dan cacat maksimum 10 % total luas permukaan

buah dan penyimpangan tersebut tidak boleh mempengaruhi mutu daging buah.

Kelas B merupakan jeruk keprok bermutu baik yaitu mencerminkan ciri

varietas/tipe komersial, dengan kerusakan kecil yang diperbolehkan sebagai

berikut: sedikit penyimpangan pada bentuk, sedikit penyimpangan pada warna

14

kulit, sedikit penyimpangan pada kulit terkait dengan pembentukan buah, sedikit

bekas luka/cacat pada kulit akibat mekanis. Total area yang mengalami

penyimpangan dan cacat maksimum 15 % dari total luas permukaan buah dan

penyimpangan tersebut tidak boleh mempengaruhi mutu daging buah.

Spektroskopi Listrik Bahan

Tinjauan kualitas buah harus ditinjau dari karakterisasi dan pengujian sifat

dasar dari bahan penyusunnya. Spektroskopi listrik merupakan tinjauan spektrum

(frekuensi) dari besaran – besaran listrik yang terkait dengan bahan. Hal ini terkait

dengan frekuensi sinyal eksternal yang diberikan pada bahan dan kemampuan

tanggapan dari bahan terhadap kondisi tersebut.

Dua garis besar sifat listrik yang utama adalah sifat konduktif yang biasanya

direpresentasikan dengan nilai konduktivitas atau impedansinya. Nilai

konduktivitas berkorelasi dengan mobilitas ion atau elektron dalam bahan ketika

diberikan energi dari luar bahan seperti perbedaan potensial listrik. Sifat utama

lainnya adalah sifat kapasitif atau sifat dielektrik bahan. Sifat ini menandakan

suatu tingkat kemampuan polaritas dari molekul dalam bahan ketika diberikan

beda potensial dari luar. Sifat konduktivitas maupun kapasitif bahan bisa

dipengaruhi oleh kondisi eksternal maupun internal dari bahan. Faktor

eksternalnya antara lain beda potensial, arus listrik, frekuensinya dan suhu.

Sementara faktor internal antara lain polaritas bahan, jenis kandungan bahan, dan

energi ikatan molekuler. Karakteristik listrik pada bahan bisa dianalisa dengan

pendekatan rangkaian elektronik antara resistor dan kapasitor secara parallel (Choi

et al. 2001).

Kapasitansi Listrik dan Bahan Dielektrik

Kapasitansi listrik dari bahan dipengaruhi oleh permitivitas atau sifat

dielktriknya. Hal tersebut merupakan konsekuensi dari kemampuan polaritas

bahan. Dalam aplikasinya, pengukuran nilai kapasitansi bisa dikorelasikan dengan

pengukuran kadar air bahan, kelembaban (Figura dan Teixeira 2007). Permitivitas

atau sifat dielektrik ( ) digambarkan sebagai permitivitas relatif kompleks yang

merupakan pembagi antar permitivitas absolut dengan permitivitas ruang hampa.

Karena permitivitas merupakan suatu bilangan kompleks maka dinyatakan dalam

dua bagian yaitu real dan imaziner (Sitkei 1986). Jika sumber tegangan

merupakan sinyal bolak-balik dengan frekuensi f maka permitivitas dapat

diturunkan dari vektor dielectric displacements (D) dan vektor medan listrik (E)

sebagai berikut:

ED (2.1a)

"'* j (2.1b)

Dengan j merupakan bilangan imajiner, * merupakan konstanta

dielektrik relatif kompleks ( ' dan " ).

15

(a) (b) (c)

Gambar 2.2 Skema kapasitor keping sejajar(a), kondisi penyisipan sebagian

bahan(b), dan model rangkaian kapasitornya(c)

Kapasitansi listrik juga merupakan ukuran dari kapasitas penyimpanan

muatan untuk suatu perbedaan potensial tertentu (Tipler 1991). Kapasitor sendiri

merupakan suatu komponen elektronika yang terdiri dari dua buah keping

penghantar terisolasi yang disekat satu sama lain dengan suatu bahan dielektrik.

Keberadaan bahan dielektrik akan menyebabkan lemahnya medan listrik diantara

keping kapasitor sehingga kapasitansinya naik. Lemahnya medan listrik antar

keping kapasitor dikarenakan hadirnya medan listrik internal dari molekul-

molekul dalam bahan dielektrik yang akan menghasilkan medan listrik tambahan

yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar. Banyaknya muatan (Q) yang

tersimpan pada kapasitor (C) sebanding dengan tegangan (V) yang diberikan oleh

sumber dan dinyatakan dengan persamaan Q = CV.

Nilai kapasitansi bergantung pada faktor geometri dan sifat bahan

dielektrik. Faktor geometri yang menentukan adalah luas penampang keping dan

jarak antar keping. Sedangkan sifat bahan dielektrik ditentukan oleh nilai

konstanta dielektriknya dan frekuensi sinyal. Suatu kapasitor keping sejajar yang

diberikan tegangan sebesar Vs diperlihatkan pada Gambar 2.2a. Besarnya nilai

kapasitansi kapasitor keping sejajar dinyatakan pada persamaan:

d

AffC )(

)( (2.2)

Dimana A : luas penampang keping sejajar (m2)

: permitivitas ruang hampa (8.85 x 10-12

F/m)

d : jarak pisah antar keping sejajar (m)

Pada ruang hampa kapasitansi dinyatakan sebagai berikut

d

AC

(2.2a)

Sedangkan jika diantara dua keping terdapat bahan dielektrik persamaannya

adalah

d

AC

(2.2b)

dengan ε adalah permitivitas bahan dielektrik (F/m) (Tipler 1991).

Contoh Ilustrasi aplikasi pengukuran dan pemodelan kapasitansi adalah

pada bahan yang disisipkan pada kapasitor tersebut pada Gambar 2.2 bagian b dan

c (Figura dan Teixeira 2007). Besarnya pengisian bahan pada plat kapasitor bisa

+ --

d

Vs d

h

a a

C0 C1

16

dianalisa dengan memanfaatkan modelnya. Maka nilai kapasitansi totalnya

sebagai berikut:

10 CCCtotal

d

haa

d

ahCtotal

)(

)( hahd

aCtotal

ahhd

aCtotal )1(

(2.2c)

Atau bisa disederhanakan dalam bentuk suseptibilitas listrik ():

ahd

aCtotal

hd

aCC kosongtotal

(2.2d)

Gambar 2.3 Kapasitor silinder kondisi dengan pengisian sebagian bahan dielektrik

Persamaan tersebut bisa dipakai untuk menentukan ketinggian atau kedalam

bahan pada plat kapasitor. Persamaan tersebut dapat diartikan bahwa nilai

kapasitansinya linier terhadap tinggi bahan dielektrik pengisinya. Selain itu,

kapasitor juga bisa bebentuk silinder. Nilai kapasitansinya bergantung pada

dimensi jari – jari plat bagian dalam (ri) dan luar (ra) serta panjang dari silinder

tersebut (l). Ilustrasinya diperlihatkan pada Gambar 2.3.

Nilai kapasitansi dari kapasitor silinder kosongnya adalah :

i

a

r

r

lC

ln

..2 0 (2.2e)

Setelah sebagian terisi maka persamaan menjadi

10 CCCtotal

h

r

rhl

r

rC

i

a

i

a

total

ln

..2)(

ln

.2 00

)(

ln

.2 0 hlh

r

rC

i

a

total

ri

ra

h l

17

lh

r

rC

i

a

total

ln

.2 0

l

r

rh

r

rC

i

a

i

a

total

ln

.2

ln

.2 00

kosong

i

a

total Ch

r

rC

ln

.2 0 (2.2f)

Persamaan tersebut analog dengan persamaan kapasitor plat paralel, yaitu dapat

diartikan bahwa nilai kapasitansinya linier terhadap tinggi bahan dielektrik

pengisinya.

Nilai dielektrikum dan kelistrikan bahan ada yang bersifat nonlinier (Zhou

et al. 2001) sehingga perlu pengukuran dengan alat yang bisa meminimalkan

fenomena tersebut. Pada pemakaian sumber arus tetap, kondisi sumber sinyal

listrik tidak terganggu oleh kondisi bahan uji (Ron et al. 2001).

Pada bahan kapasitif sering muncul fenomena kehilangan energi yang

direpresentasikan dengan besaran " . Loss faktor atau Loss coefficient ini

merupakan parameter yang menyatakan kemampuan suatu bahan untuk

menghamburkan atau melepaskan energi dan mengkonversinya menjadi panas.

Sudut loss coefficient dibentuk oleh fasor arus total bolak-balik dengan arus

pengisian Ic pada kapasitor. seperti ditunjukkan pada Gambar 2.4 a (Harmen

2001). Pada kondisi tidak ada kehilangan energi atau kondisi idel maka arus pada

kapasitor idealnya mendahului tegangan sebesar 90°. Apabila terjadi kehilangan

energi, maka sudut fase akan berkurang dan sudut loss koefisient akan bertambah.

sehingga loss coefficient dapat dinyatakan sebagai: Loss Coefficient = 90° - sudut

fase (θ).

Pada kasus pemberian sinyal dengan frekuensi tertentu, maka bahan

dielektrik dapat dimodelkan sebagai rangkaian resistor dan kapasitor secara

paralel sepeti Gambar 2.4 b. Pada gambar tersebut dapat ditinjau faktor daya (PF)

sebagai nilai cos . Pada kasus kehilangan dielektrik rendah (low loss dielectric)

yaitu kecil, maka nilai cos bisa menggantikan tan . Loss coefficient dapat

dinyatakan dalam persamaan konduktansi sebagai berikut

C

G

CV

RV

I

I

C

R

/tan (2.3)

dengan ω adalah frekuensi angular.

Pada saat bahan dielektrik diberikan medan listrik luar, maka muatan-

muatan listriknya kan terkutubkan atau terpolarisasi. Bahan dielektrik merupakan

bahan nonk konduktor yang tidak memiliki elektron bebas. Muatan positif dan

negatif bahan akan membentuk dwikutub atau dikenal dengan diplo listrik. Jika

frekuensi sumber tegangan eksternal diubah-ubah maka bahan dielektik yang

disisipkan antara dua plat tersebut akan terganggu, diantaranya perubahan arah

momen dipol – momen dipol listrik sesuai dengan frekuensinya. Jika momen

dipol bahan lebih seragam maka kondisi ini akan mengurangi medan listrik

eksternal dari sumber tegangan tersebut. Kondisi penyeragaman momen dipol ini

tergantung dari sifat bahan tersebut. Molekul-molekul dari beberapa bahan

18

dielektrik, seperti air, mempunyai momen dipol listrik permanen. Di dalam bahan-

bahan seperti itu (bahan polar) maka momen-momen dipol listrik cenderung untuk

mensejajarkan dengan suatu medan listrik luar (Lumsden 1997). Ilustrasi

pensejajaran dipol listrik dari bahan sebagai akibat medan listrik eksternal

diperlihatkan pada Gambar 2.5.

(a) (b)

Gambar 2.4 Rangkaian setara RC (a) dan diagram fasornya (b)

(a) (b)

Gambar 2.5 Tingkat pensejajaran momen dipol listrik pada bahan ketika tidak

ada medan listrik (a) dan ketika ada medan listrik eksternal (b)

Konduktivitas dan Resistivitas Listrik

Konduktivitas listrik merupakan ukuran kemampuan suatu bahan untuk

menghantarkan arus listrik. Konduktivitas listrik ditentukan oleh beberapa faktor

yaitu konsentrasi atau jumlah ion. mobilitas ion. serta suhu. Semakin tinggi

konsentrasi atau jumlah ion maka konduktivitas listrik semakin tinggi. Hubungan

ini terus berlaku hingga larutan menjadi jenuh. Suhu yang tinggi mengakibatkan

viskositas air menurun dan ion-ion dalam air bergerak cepat yang menyebabkan

kenaikan konduktivitas listrik (Hendayana et al. 1995). Konduktivitas listrik (σ)

didefinisikan sebagai rasio dari rapat arus (J) terhadap kuat medan listrik (E)

E

J (2.4)

Secara umum jika ion dengan muatan pembawanya ada dalam bahan

makanan atau pertanian dan diberikan beda potensial tertentu maka akan terjadi

aliran arus yang melewati bahan tersebut (Gambar 2.6).

Gambar 2.6 Aliran elektron dalam bahan konduktor ketika ada beda potensial

listrik eksternal

E

eksternal

IR

I

Ic

θ

δ

R C ~

19

Pada tinjauan elektron pada bahan dikenal dengan istilah elektron valensi

yang merupakan elektron terlua yang masih terikat pada atom dan menempati pita

energi valensi. Pada kasus pemberian energi dari luar maka elektron tersebut akan

lepas menjadi elektron bebas atau elektron konduksi. Elektron konduksi

merupakan muatan yang bergerak dalam bahan dan sebagai pembawa arus.

Pergerakan elektron dalam bahan mengindikasikan adanya aliran arus listrik pada

bahan tersebut. Elektron tersebut bergerak bebas dengan kecepatan tertentu.

Tanpa adanya medan listrik luar pada bahan maka arah gerak elektron tersebut

akan sembarangan atau acak seperti pegerakan molekul gas di dalam suatu wadah.

Elektron-elektron tersebut terus bergerak dan bertumbukan satu sama lain atau

bahkan dengan inti ataom sehingga terjadi perubahan gerak secara acak.

Bila ditinjau pada bahan konduktor yang diberikan beda potensial V atau

medan listrik E dari luar. Maka ektron-elektron tersebut mendapatkan gaya listrik

untuk bergerak pada suatu arah tertentu sehingga mengalami percepatan yang

arahnya tergantung dari polaritas beda potensial luarnya.

Bila medan listrik diberikan pada sebuah elektron maka akan terjadi gaya

listrik sebesar eE yang akan memberikan percepatan a kepada elektron tersebut.

Maka berdasarkan hukum newton dua berlaku:

eEmaF

m

eEa (2.5)

Selama tumbukan elektron tersebut mengalami perubahan arah dengan laju

drift tertentu (vd) yang dapat didekati dengan persamaan persepatan a dan waktu

rata-rata diantara tumbukan :

m

eEavd (2.5a)

Nilai kecepatan drift ini dapat dinyatakan dalam rapat arus maupun jumlah

elektran (ne) dan digabungkan menjadi sebagai berikut;

m

eE

ne

Jvd

m

eE

ne

J

m

ne

E

J 2

(2.5b)

Dengan menggabungkan ke dalam persamaan dasar konduktivitas listrik maka

m

ne

E

J 2

(2.6)

Dengan pendekatan waktu selang antara tumbukan sebagai pembagian

kecepatan drift (vd) dan panjang lintas bebas rata rata (), maka konduktivitas

listrik bisa dinyatakan sebagai (Beiser 1987) berikut:

dv

m

ne2

(2.6a)

Karakteristik lain yang merepesentasikan kebalikan dari konduktivitas

listrik adalah resistivitasnya (). Resistivitas juga merupakan karakteristik bahan

yang khas. Dua besaran ini sangatlah berhubungan erat sekali. Secara

20

makroskopik nilai hambatan bahan dipengaruhi juga oleh geometri bahan ( luas,

A dan panjang, L) dan sifat khas bahan. Ilustrasinya adalah sebagai beikut:

A

LR (7)

Secara umum, material dapat diklasifikasikan berdasarkan kemampuannya

untuk membawa atau menghantarkan muatan listrik: Konduktor adalah material

yang mudah menghantarkan muatan listrik seperti tembaga, emas dan perak.

adalah contoh insulator yang baik. Semikonduktor adalah material yang memiliki

sifat antara konduktor dan insulator. Silikon dan germanium adalah material yang

banyak digunakan dalam pabrikasi perangkat elektronik.

Nilai konduktivitas maupun resistivitas bahan konduktor dipengaruhi juga

oleh suhu (T) secara linier. Representasinya diperlihatkan pada persamaan di

bawah ini:

)1( To atau )1( To

Impedansi Listrik

Impedansi listrik merupakan parameter penting yang digunakan untuk

menganalisa rangkaian elektronik , komponen listrik, dan bahan bahan lain.

Secara umum impedansi listrik (Z) didefiniskan sebagai total hambatan pada suatu

rangkaian elektronik ketika diberikan arus bolak-balik. Nilai impedansi ini

dinyatakan dalam bentuk bilangan kompleks dan bisa dibuat grafik fasor dari

resistor (R) pada bagian real, reaktansi(X) dari kapasitor (C) dan induktor (L)

dalam bagian imazinernya seperti diilustrasikan pada Gambar 2.7 dari Agilent

technologies, 2000.

Gambar 2.7 Ilustrasi grafik fasor dari impedansi kompleks

Keterkaitan impedansi dengan kapasitasni maupun resistansi diperlihatkan

pada persamaan 8a, b, dan c. Persamaan tersebut dipengaruhi nilai frekuensi dan

sudut fasa ().

fjXRZ (2.8a) ieZZ (2.8b)

)(tan 1

R

fX (2.8c)

Reaktansi terdiri dari dua bentuk, yaitu induktif (XL) dan kapasitif (XC).

Gambar 2.8 mewakili dua kemungkinan bentuk reaktansi dan representasi

korespondennya pada impedansi untuk frekuensi yang diberikan.

21

Gambar 2.8 Kemungkinan bentuk reaktansi dan representasi korespondennya

pada impedansi listrik (Santos 2009)

Jika ditinjau pembangkit sinyal listrik sebagai fungsi waktu tcosVV max

untuk rangkaian LCR seri maka kaidah kirchoff memberikan

0IRC

Q

dt

dILtcosVmax (2.9)

Dengan menggunakan dt

dQI dan tII cosmax sehingga dengan mengatur

kembali susunannya :

tcosVC

Q

dt

dQR

dt

QdL max2

2

Sudut fase diberikan oleh R

XX Cl tan

Arus maksimum dituliskan Z

V

XXR

VI max

2

CL

2

max

max

(2.10)

Dengan begitu impedansi Z didefinisikan secara matematis sebagai

22

CL XXRZ (2.11)

Besaran XL-XC disebut reaktansi total dan besaran Z disebut impedansi listrik

(Giancoli 2001).

Beberapa metode pengukuran impedansi telah ada dan diperlihatkan oleh

Agilent technologies, 2000. metode tersebut mulai dari metode tradisional

termasuk: jembatan wheatstone, resonansi, I-V, RF I-V, network analysis dan

auto balancing bridge.

Gambar 2.9 Metode pengukuran impedansi listrik dengan jembatan

Wheatstone (Santos 2009)

Pada Jembatan Wheatsone (Gambar 2.9) dipakai analisa kondisi ketika

tidak ada arus yang melalui detektor, nilai impedansi ZX diketahui dapat diperoleh

dengan hubungan elemen jembatan lainnya dengan:

3

2

1 ZZ

ZZx (2.12)

22

Berbagai jenis rangkaian jembatan seperti penggunaan kombinasi L, C,

dan komponen R sebagai elemen jembatan telah banyak digunakan dalam

aplikasinya. Metode ini membutuhkan biaya rendah dengan cakupan frekuensi

yang luas (DC ke 300 MHz) walaupun dengan menggunakan berbagai jenis

jembatan.

Pada pengukuran impedansi listrik dengan sistem resonansi digunakan

skema pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Metode pengukuran impedansi listrik dengan sistem resonansi

(Agilent technology)

Ketika rangkaian disesuaikan pada kondisi resonansi yaitu dengan mengatur

nilai kapasitornya, maka nilai impedansi Lx and Rx diperoleh dengan pengujian

dan pengaturan frekuensinya, Kapasitansi dan nilai Q. Q merepresentasikan faktor

kualitas dari induktansi. Q diukur langsung dengan voltmeter yang ditempatkan

pada kapasitor. Karena koefisien loss rangkaian pengukuran sangat rendah, maka

nilai Q setinggi 1000 dapat diukur. Ini menyajikan akurasi Q yang baik sampai

dengan Q yang tinggi, tetapi kebutuhan untuk tuning untuk resonansi dan pada

impedansi rendah akurasi metode pengukuran ini memiliki kelemahan. Metode ini

memiliki rentang frekuensi yang berlaku dari 10 kHz sampai 70 MHz.

Metode pengukuran impedansi listrik dengan sistem I-V dipelihatkan pada

Gambar 2.11. nilai impedansi dari bahan yang tidak diketahui dapat dihitung

dengan rumus :

RV

V

I

VZx

2

11 (2.13)

Nilai arus I dihitung menggunakan pengukuran tegangan (V2) melintasi

resistor yang rendah dengan keakuratan yang tinggi. Dalam prakteknya sering

digunakan transformator low-los yang digunakan sebagai pengganti R untuk

mencegah dampak yang disebabkan dengan penempatan resistor yang rendah

pada rangkaian . Rentang frekuensi yang berlaku antar 10 kHz sampai 100 MHz..

Metode ini memiliki keuntungan dapat melakukan pengukuran perangkat

grounded dan cocok untuk kebutuhan tipe probe uji.

Gambar 2.11 Metode pengukuran impedansi listrik dengan sistem I-V (Agilent

technology)

23

Metode pengukuran impedansi listrik dengan sistem RF I-V diperlihatkan

pada Gambar 2.12 baik untuk impedansi rendah maupun tinggi. Metode RF I-V

didasarkan pada prinsip yang sama sebagai metode pengukuran I-V, tetapi

dikonfigurasi dalam cara yang berbeda dengan menggunakan rangkaian

impedansi pengukuran yang cocok (50 Ω) dan tes port presisi koaksial untuk

operasi pada frekuensi yang lebih tinggi. Ada dua jenis konfigurasi pengukuran

yang cocok untuk impedansi rendah (Gambar. 2.12 a), dan impedansi tinggi

(Gambar. 2.12.b). Impedansi ZX dihitung dari tegangan terukur V1 dan V2.

Persamaan (2.14a) mengacu pada pengaturan pengukuran impedansi rendah dan

(14b) merujuk pada penyusunan pengukuran impedansi tinggi. Rentang frekuensi

(1 MHz sampai 3 GHz) yang dicapai pada metode ini dibatasi oleh transformator

ini

1

2

21

VV

R

I

VZx (2.14a)

12

21

VV

R

I

VZx (2.14b)

Gambar 2.12 Metode pengukuran impedansi listrik dengan sistem RF I-V (a)

pada impedansi rendah dan (b) tinggi (Agilent technology)

Metode pengukuran impedansi listrik dengan network analysis diperlihatkan

pada Gambar 2.13. Dalam metode ini koefisien refleksi diperoleh dengan

mengukur rasio antara sinyal datang dan sinyal pantul. Sebuah directional coupler

atau jembatan yang digunakan untuk mendeteksi sinyal pantul dan network

analyzer digunakan untuk pasokan dan pengukuran sinyal. Selama metode ini

digunakan untuk mengukur impedansi refleksi di ZX, maka metode ini dapat

digunakan dalam rentang frekuensi yang lebih tinggi (300 kHz dan di atas).

Metode ini menyajikan akurasi yang baik ketika impedansi yang tidak

diketahui dekat dengan impedansi karakteristik rangkaian, tetapi memiliki

kelemahan yaitu membutuhkan suatu prosedur kalibrasi ulang ketika terjadi

perubahan frekuensi. Hal ini juga menyebabkan pengukuran impedansi yang

sempit.

Metode pengukuran impedansi listrik dengan jembatan auto balance

diperlihatkan pada Gambar 2.14. Arus yang mengalir melalui impedansi ZX, juga

mengalir melalui resistor R. Potensial pada titik "L" dipertahankan pada nol

(sehingga disebut "virtual ground"), karena arus melalui saldo R seimbang dengan

arus pada ZX. Hal ini dicapai dengan pengoperasian penguat converter I-V.

Impedansi ZX dihitung dengan menggunakan beda tegangan yang diukur pada

titik "H" dan tegangan R.

24

Gambar 2.13 Metode pengukuran impedansi listrik dengan network analysis

(Agilent technology)

Gambar 2.14 Metode pengukuran impedansi listrik dengan jembatan auto balance

(Agilent technology)

Dalam prakteknya, konfigurasi jembatan auto balance / otomatis

keseimbangan berbeda untuk setiap jenis instrumen. Umumnya LCR meter, dalam

rentang frekuensi rendah biasanya di bawah 100 kHz menggunakan penguat

operasional yang sederhana untuk converter I-V nya. Jenis instrumen ini memiliki

kelemahan akurasi pada frekuensi tinggi, karena adanya batasan penguat dalam

hal kinerjanya.

Model Rangkaian Listrik Bahan

Model rangkaian listrik pada bahan biologi dari mulai sel sampai bahan

pertanian lainnya sudah mulai dikaji oleh para peneliti. Namun prinsip dari model

tersebut adalah kesederhanaan dan kecocokan dengan data eksperimen. Ellappan

dan Sundararajan (2005) telah mencoba memodelkan sel biologi dengan bentuk

rangkaian listrik yang terdiri dari resistor dan kapasitor. Masing-masing

komponen tersebut mewakili dari bagian-bagian dari sel. Pemodelan berlandaskan

kelistrikan ini umunya merupakan pendekatan arus listrik lemah yaitu sinyal

listrik dengan nilai amplitudo yang kecil. Hal ini dilakukan agar pemberian listrik

tidak merusak bahan yang diuji.

Pemodelan listrik bisa dipakai dalam bidang pertanian, diantaranya pada

model impedansi listrik dari pohon jeruk. Model ini dapat menjelaskan dan

menggambarkan fenomena persediaan air yang terkait dengan mekanisme

transportasi pada jaringan xilem (Muramatsu dan Hiraoka 2007). Wu et al. (2008)

melaporkan bahwa spektroskopi impedansi dengan model terdistribusi yang

didasarkan pada persamaan model impedansi Cole-Cole (Gambar 2.15)

memberikan kecocokan dengan data impedansi hasil pengukuran pada terung

segar.

25

Pemodelan rangkaian listrik juga telah dilakukan oleh Wu et al. (2008) pada

terung dan kentang. Model yang dipakai untuk menjelaskan fenomena

kelistrikanya adalah model Hayden (Hayden et al. 1969) seperti Gambar 2.16.

Pemodelan rangkaian listrik lain telah dilakukan oleh Bauchot et al. (2000) pada

buah kiwi. Dasar pemodelannya adalah rangkaian resistor dan kapasitor yang

didasarkan pada model yang telah diungkapkan oleh Zhang et al. ( 1990) seperti

pada Gambar 2.17. Model yang dibangun merupakan pengembangan dari model

Hayden.Model yang dibangun cukup sederhan, representatif. Menurut Ozier-

Lafontaine dan Bajazet pemodelan listrik yang dibangun untuk menjelaskan suatu

fenomena produk harus didasarkan pada kesederhanaan, representasi terbaik,

realistis dan konfigurasi apakah elemen sirkuit yang terhubung secara seri atau

paralel (Ozier-Lafontaine dan Bajazet 2005)

Gambar 2.15 Model rangkaian listrik untuk mewakili bahan biologi yang

diusulkan Cole (Liu 2006)

Gambar 2.16 Model rangkaian listrik untuk mewakili bahan yang diusulkan oleh

Hayden et al.(1969)

Gambar 2.17 Model rangkaian listrik untuk mewakili bahan yang diusulkan oleh

Zhang et al. (1990)