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
