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 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.