7/26/2019 S2-2014-321883-chapter1

1/6

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1Latar 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

7/26/2019 S2-2014-321883-chapter1

2/6

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 tersebutdalam 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 non-

polar 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

7/26/2019 S2-2014-321883-chapter1

3/6

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 osiloskopsinar 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

lissajouspada 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).

7/26/2019 S2-2014-321883-chapter1

4/6

4

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 dalamlateks 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). Tomographyadalah 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 imagemenjadi 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

7/26/2019 S2-2014-321883-chapter1

5/6

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 non-

elektrolit. 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.

1.2Rumusan 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.

1.3Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian pengukuran konsentrasi larutan menggunakan

transduser kapasitif adalah sebagai berikut:

7/26/2019 S2-2014-321883-chapter1

6/6

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.