e -ISSN: 2550-0325

## PENGUKURAN KONSTANTA DIELEKTRIK UNTUK MENGETAHUI KONSENTRASI LARUTAN GULA DENGAN MENGGUNAKAN METODE PLAT SEJAJAR

## Lalu A. Didik
Tadris Fisika, Universitas Islam Negeri Mataram, Mataram, NTB, Indonesia, laludidik@uinmataram.ac.id

## Abstrak
Telah  dilakukan penentuan  hubungan antara konsentrasi  larutan  gula  dengan nilai  konstanta dielektriknya. Pengukuran konstanta dielektrik pada beberapa konsentrasi  larutan  gula  mulai 5%  sampai  dengan  50%  dengan  peningkatan  konsentrasi  5%  menggunakan  metode  plat sejajar.  Untuk  penentuan  konstanta  dielektrik  tiap  konsentrasi  larutan  dilakukan  pengukuran kapasitansi dengan variasi jarak antar plat. Sebelum pengukuran konstanta dielektrik larutan, dilakukan  kalibrasi  dahulu  terhadap  alat  dengan  mengukur  konstanta  dilektrik  udara  dan didapatkan  nilai  sebesar  1,05.  Nilai  ini  berbeda  dengan  konstanta  dielektrik  udara  referensi sebesar  1,00054  sehingga  didapatkan  eror  sebesar  4,9  %.  Nilai  eror  ini  masih  dalam  tahap wajar  sehingga  alat  dapat  digunakan  untuk  mengukur  konstanta  dielektrik  larutan.  Hasil pengukuran menunjukkan bahwa nilai konstanta dielektrik menurun dari 6,64 (konsentrasi 5%) menjadi  3,97  (konsentrasi  50%).  Hal  ini  disebabkan  karena  medan  listrik  local  yang berlawanan dengan arah medan listrik luar dan hydration shell yang menyebabkan konstanta dielektrik larutan gula menurun seiring dengan peningkatan konsentrasi larutan gula
Kata kunci: larutan gula, konstanta dielektrik, konsentrasi, plat sejajar

## Pendahuluan
Sifat-sifat  larutan  sangat  dipengaruhi  oleh komposisinya.  Oleh  karena  itu  digunakan  istilah konsentrasi  untuk  menyatakan  komposisi  larutan (Setyarini,  Setijono,  Hatta,  &  Komponen,  2012). Konsentrasi  larutan  menunjukkan  perbandingan antara  jumlah  zat  terlarut  dengan  jumlah  pelarut (Mei et al., 2015). Sistem pengukuran kadar gula dalam  bidang  pertanian  tebu  dituntut  untuk memberikan  sumbangan  dalam  hal  efisiensi  dan biaya  murah  untuk  meningkatkan  produktivitas (M,  Marzuki,  &  Yunianto,  2013).  Untuk mendapatkan nilai ukur yang presisi dengan unjuk respon  yang  lebih  baik  pada  pengukuran konsentrasi pada larutan di bidang pertanian dapat digunakan sifat elektrik yang dalam hal ini adalah konstanta  dielektrik  (Van  Vuuren  J.  A.  J.;Meyer J.;Claasens, 2006).
Konstanta  dielektrik  adalah  karakteristik dari  suatu  zat,  artinya  setiap  zat  dengan karakteristik  berbeda  akan  memiliki  konstanta dielektrik  yang  berbeda  (Didik,  2016).  Secara sederhana besarnya polarisasi elektrik disebabkan oleh  4  sumber  yaitu  :  (a)  komponen  elektronik yang  disebabkan  oleh  induksi  medan  pada  awan elektron  yang  mengelilingi  tiap  atom  pada  suatu material,  (b)  konstribusi  ionik  yang  diasosiasikan dengan  gerak  relatif  kation  dan  anion  dalam
medan  elektrik,  (c)  Polarisasi  orientasional disebabkan  karena  rotasi  dipol  molekul  dalam medan.  Selain  ketiga  penyebab  tersebut,  sumber polarisasi  suatu  material  juga  disebabkan  oleh pergerakan  pembawa  muatan,  yaitu  perpindahan ion  atau  elektron  dibawah  pengaruh  medan (Chang, Yeh, & Lue, 2012).
Secara umum, terdapat tiga metode dalam pengukuran  konstanta  dielektrik  larutan    yaitu menggunakan  metode  pengukuran  kapasitansi plat  sejajar  (Beroual,  2017;  Lue,  2013),    metode pengukuran  menggunakan  transduser  kapasitif (Triyana,  2017)  dan  menggunakan  metode reflectometry  (Gramse  et  al.,  2013;  Sun  et  al., 2009). Diantara ketiga metode tersebut pengukuran kapasitansi adalah metode pengukuran yang paling sederhana.
Sebelumnya  telah  dilakukan  penelitian mengenai pengukuran konstanta dielektrik larutan NaCl  dengan  beberapa  konsentrasi  yang  berbeda (Nurmasyitah & Khotimah, 2015). Nilai konstanta dielektrik  berbanding  terbalik  dengan  konsentrasi larutan  (Sobirin  et  al.,  2016).  Oleh  karena  itu, dalam  penelitian  ini  mencoba  menggunakan metode pengukuran kapasitansi untuk mengetahui hubungan  antara  konsentrasi  larutan  gula  dengan konstanta dielektriknya.
.
p -ISSN: 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN: 2550-0325

## Metode Penelitian
Penelitian  ini  diawali  dengan  penyiapan sampel  larutan  gula.  Sampel  yang  digunakan adalah  larutan  gula  dengan  konsentrasi  50  % sebagai  referensi.  Gula  halus  sebanyak  50  gram dilarutkan  ke  dalam  100  ml  aquades  untuk mendapatkan  konsentrasi  larutan  sebanyak  50% (Didik, 2014). Larutan gula kemudian
dimasukkan dalam plat sejajar dengan luas 2,5 x 5 cm  dan  jarak  antar  plat  bervariasi  antara  1  mm, 1,5  mm,  2  mm  dan  2,5  mm.  Kapasitansi  larutan gula  kemudian  diukur  menggunakan  kapasitansi meter.  Adapun  rangkaian  pengukuran  dan rangkaian  equivalen  kapasitor  ditunjukkan  pada Gambar 1.
(a)
(b)
Gambar 1 (a) Skema Rangkaian Pengukuran Kapasitansi dan Konstanta Dielektrik (b) Skema Ekuivalensi Rangkaian
Berdasarkan  skema  ekivalensi  plat  sejajar dalam  Gambar  1b,  tampak  bahwa  kapasitor akrilik  tersusun  seri  dengan  larutan  sehingga kapasitansi  yang  terukur  adalah  kapasitansi  seri ketiga kapasitor.
(1) (2)
Ingat  bahwa  kapasitansi  larutan  bergantung pada konstanta dielektrik larutan, jarak antar celah dan luas penampang plat,
(3)
Sehingga persamaan dapat dituliskan sebagai
(4)
Persamaan  identic  dengan  persamaan  garis lurus  y  =  ax  +  b  sehingga  konstanta  dielektrik dapat  ditentukan  melalui  kemiringan  grafik  ( Δ ) dengan  variable  bebas  berupa jarak  antar  plat  ( d ) dapat dituliskan sebagai
(5)
Sebelum  dilakukan  pengukuran  konstanta dielektrik  larutan,  set  alat  pengukuran  dikalibrasi terlebih  dahulu.  Hal  ini  dilakukan  untuk mengetahui  tingkat  ketelitian  alat  (Didik,  2017). Sehingga diperoleh persamaan penentuan konstanta dielektrik udara sebesar (6)
p -ISSN: 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN: 2550-0325

## Hasil dan Pembahasan
Sebelum  dilakukan  pengukuran  konstanta dielektrik larutan gula, maka terlebih dahulu harus dilakukan  kalibrasi terhadap  alat  yang  digunakan. Dalam hal ini dilakukan terlebih dahulu penentuan konstanta  dielektrik  udara.  Kapasitansi  diukur dengan  memvariasikan  jarak  antar  plat.  Data kalibrasi  dibuat  grafik  dan  dilakukan  fitting  linier menggunakan  software  Microcal  Rigin.  Adapun hasil fitting linier ditunjukkan pada gambar 2.
Berdasarkan Gambar 2 didapatkan kemiringan  grafik  sebesar  8,65  x  1011  F-1m-1.
Nilai  konstanta  dielektrik  dihitung  menggunakan persamaan  6  dan  didapatkan  nilai  konstanta dielektrik  udara  hasil  eksperimen  sebesar  1,05. Nilai  ini  berbeda  dengan  konstanta  dielektrik udara referensi sebesar 1,00054 sehingga didapatkan  eror  sebesar  4,9  %  (Bandri,  2014). Kalibrasi dilakukan untuk mengetahui keakuratan alat  dalam  mengukur  konstanta  dielektrik sehingga  dapat  digunakan  untuk  mengukur konstanta dielektrik larutan gula (Didik, 2017).
Gambar 2 Fitting Linier grafik 1/C dengan variasi jarak antar plat untuk menentukan konstanta dielektrik udara.
Tabel 1 Hasil Pengukuran Kapasitansi Larutan Gula 50% dengan Variasi Jarak Antar Plat
No Jarak Antar Plat (mm) Kapasitansi (F) 1 1,0 1,46 x 10-10 2 1,5 1,27 x 10-10 3 2,0 1,04 x 10-10 4 2,5 0,99 x 10-10
Dengan  cara  yang  sama  dilakukan pengukuran  konstanta  dielektrik  larutan  gula dengan konsentrasi 50% sebagai parameter acuan. Data  yang  diperoleh  ditunjukkan  pada  tabel  1. Hasil  pengukuran  menunjukkan  bahwa  semakin besar  jarak  antar  plat,  maka  kapasitansi  akan
semakin kecil. Hal ini sesuai dengan persamaan 3 yang  menunjukkan  hubungan  perbandingan terbalik  antara  kapasitansi  dan  jarak  antar  plat. Langkah  selanjutnya  adalah  fitting  linier  data kapasitansi  dan  jarak  antar  plat  menggunakan software Microcal Origin.
p -ISSN: 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN: 2550-0325
Gambar 3 Fitting Linier grafik 1/C dengan variasi jarak antar plat untuk menentukan konstanta dielektrik larutan gula dengan konsentrasi 50%.
Berdasarkan  hasil  analisis  fitting  linier pada Gambar 3 diperoleh kemiringan grafik 227,8 x 10 11 F -1 m -1 . Dengan menggunakan persamaan 5 diperoleh  konstanta  dielektrik  larutan  gula  50% sebesar  3,97.  Nilai  ini  senada  dengan  penelitian
sebelumnya  yang  menunjukkan  bahwa  nilai konstanta  dielektrik  larutan  gula  di  bawah  50% senada  dengan  konstanta  dielektrik  karet  alam yang bernilai dalam rentang 2-4 (Triyana, 2017).
Gambar 4 Grafik Hubungan Konsentrasi dengan Konstanta Dielektrik Larutan Gula
Untuk  menentukan  konstanta  dielektrik larutan  dengan  konsentrasi  yang  berbeda  dapat
menggunakan  persamaan  regresi  linier  sebagai akibat  hubungan  dari  konsentrasi  larutan  dengan
p -ISSN: 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN: 2550-0325
nilai konstanta dielektrik seperti yang ditunjukkan pada  gambar  4.  Tampak  bahwa  peningkatan konsentrasi  larutan  gula  akan  menurunkan  nilai konstanta dielektrik. Hasil ini juga diperkuat oleh beberapa  penelitian  sebelumnya  yang  meniliti
tentang  sifat  elektrik  larutan  seperti  yang ditunjukkan  pada  Tabel  2  tampak  bahwa  nilai sifat  fisis  larutan  menurun  akibat  peningkatan konsentrasi larutan.

## Tabel 2. Komparasi Hasil Eksperimen dengan Penelitian Sebelumnya
No  Jenis Larutan Sifat Fisis Terukur Metode Pengukuran Hasil Referensi 1 Larutan gula Tegangan Tranduser Kapasistif Nilai  tegangan  berkurang  akibat peningkatan konsentrasi (Triyana, 2017) 2 Metanol Konstanta dielektrik Low pass filter method Nilai konstanta dielektrik berkurang  akibat  peningkatan konsentrasi (Lue, 2013) 3 Larutan NaCl Kapasitansi Plat Sejajar Nilai konstanta dielektrik berkurang  akibat  peningkatan konsentrasi (Nurmasyitah &  Khotimah, 2015)
Penurunan nilai konstanta dielektrik larutan  dapat  dijelaskan  menggunakan  teori medan  listrik  local  yang  disebabkan  oleh  ion penyusun larutan. Meningkatnya nilai konsentrasi larutan  gula  akan  meningkatkan  jumlah  ion  yang terkandung  di  dalam  larutan  sehingga  akan menghasilkan medan listrik local (Nurmasyitah & Khotimah,  2015).  Selain  itu,  terdapat  juga molekul  air  yang  bersifat  polar  sebagai  pelarut yang  ikut  mengalami  polariasi  akibatnya  adanya medan  listrik  local.  Polarisasi  pada  molekul  air akan menghasilkan hydration shell yang mengakibatkan  respon  molekul  air  terhadap medan  listrik  luar  akan  menurun  ( dielectric decrement ).  Adanya  medan  listrik  local  yang berlawanan  dengan  arah  medan  listrik  luar  dan hydration  shell yang  menyebabkan  konstanta dielektrik  larutan  gula  menurun  seiring  dengan peningkatan konsentrasi larutan gula.

## Simpulan
Nilai konstanta dielektrik dihitung menggunakan  persamaan  6  dan  didapatkan  nilai konstanta  dielektrik  udara  hasil  eksperimen sebesar  1,05.  Nilai  ini  berbeda  dengan  konstanta dielektrik  udara  referensi  sebesar  1,00054 sehingga  didapatkan  eror  sebesar  4,9  %. Peningkatan  konsentrasi  larutan  gula  akan menurunkan nilai konstanta dielektrik. Penurunan nilai  konstanta  dielektrik larutan  dapat  dijelaskan
menggunakan  teori  medan  listrik  local  yang disebabkan oleh ion penyusun larutan.

## Ucapan Terima Kasih
Penulis mengucapkan ucapan terima kasih kepada  Lembaga  Penelitian  dan  Pengabdian Kepada  Masyarakat  Universitas  Islam  Negeri Mataram  yang  telah  mendanai  penelitian  ini melalui dana DIPA LP2M UIN Mataram.

## Daftar Pustaka
Bandri,  S.  (2014).  Analisis  Kegagalan  Isolasi Akibat  Partial  Discharge  pada  Kabel NA2XSEBY  20KV  Berisolasi  XLPE  dan PVC. Momentum , 16 No (2), 56–64.
Beroual,  M.  A.  B.  A.  (2017).  Experimental Characterisation  of  Concrete  Containing Different  Kinds  of  Dielectric  Inclusions Trough Measurements of Dielectric Constant and Electrical Resistivity. Procedia Environmental Sciences , 37 , 647–654. https://doi.org/10.1016/j.proenv.2017.03.051
Chang,  K.  C.,  Yeh,  Y.  C.,  &  Lue,  J.  T.  (2012).
Measurement  of  the  Dielectric  Constants  of Zinc  Metallic  Nanoparticles  at  Various Frequencies. Measurement , 45 (4),  808–813. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2011.
06.021
p -ISSN: 2355-5785 http://journal.uin-alauddin.ac.id/indeks.php/PendidikanFisika
e -ISSN: 2550-0325
Didik,  L.  A.  (2016).  Pengaruh  Pemberian  Medan Magnet  Terhadap  Konstanta  Dielektrik Material AgCrO2. Konstan , 2 (1), 1–5.
Didik,  L.  A.  (2017).  Pengukuran  Kalor  Jenis Material  Dengan  Mengunakan  Modifikasi Persamaan  Teorema  Stefan  Boltzmann. Konstan , 2 (2), 1–4.
Gramse,  G.,  Edwards,  M.  A.,  Fumagalli,  L.,  & Gomila,  G.  (2013).  Nanoscale  Measurement of the Dielectric Constant of Supported Lipid Bilayers in Aqueous Solutions with Electrostatic  Force  Microscopy. Biophysics ,
104 (6),
1257–1262. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2013.02.011
Lue, K. C. C. Y. C. Y. J. T. (2013). Measurement and Modelling of Static Dielectric Contant of Aqueous  Solutions  of  Methanol,  Ethanol, and  Acetic  Acid  at  T=293.15  K  and  91.3 kPa.
The Journal Of Chemical Thermodynamics , 57 , 67–70. https://doi.org/10.1016/j.jct.2012.08.009
M,  A.  N.,  Marzuki,  A.,  &  Yunianto,  M.  (2013).
Desain  Sensor  Serat  Optik  Sederhana  untuk Mengukur  Konsentrasi  Larutan  Gula  dan
Garam Berbasis Pemantulan dengan
Menggunakan  Konfigurasi  Jarak  Cermin- Fiber  Optik  Tetap. Indonesian  Journal  of Applied Physics , 3 (2), 163–168.
Mei, L., Putri, A., Prihandono, T., & Supriadi, B.
(2015). Pengaruh Konsentrasi Larutan
Terhadap  Laju  Kenaikan  Suhu  Larutan.
Jurnal Pembelajaran Fisika , 6 (2), 147–153.
Nurmasyitah,  &  Khotimah,  S.  N.  (2015).
Penentuan  Konstanta  Dielektrik  Larutan NaCl. In Prosiding SKF (pp. 301–307).
Setyarini,  L.  W.,  Setijono,  H.,  Hatta,  A.  M.,  & Komponen,  A.  I.  (2012).  Perancangan Sistem  Pengukuran  Konsentrasi  Larutan Gula Menggunakan Metode Difraksi. Jurnal Teknik Pomits , 1 (1), 1–5.
Sobirin,  M.,  Rosita,  N.,  Fitriawan,  M.,  Usriyah, F., Faizal, R., & Yulianto, A. (2016). Journal of Creativity Students, 1 (1), 1–6.
Sun, M., Maichen, W., Pophale, R.,  Liu,  Y., Cai, R.,  Lew,  C.  M.,  …  Yan,  Y.  (2009). Microporous  and  Mesoporous  Materials Dielectric  constant  measurement  of  zeolite powders  by  time-domain  reflectometry. Microporous  and  Mesoporous  Materials ,
123 (1–3), 10–14. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2009.03. 013
Triyana,  M.  H.  (2017).  Pengukuran  Konsentrasi Larutan  gula  Menggunakan  Transduser Kapasitif. Jurnal Ilmu Fisika (JIF) , 9 (1), 43–
56.
Van Vuuren J. A. J.;Meyer J.;Claasens, H. (2006).
Potential  Use  of  Near  Infrared  Reflectance Monitoring in Precision Agriculture.
Commun.  Soil  Sci.  Plant  Anal. , 37 ,  2171– 2184.