ANALISIS PENGARUH MEDAN LISTRIK
TERHADAP TINGKAT PENGUAPAN AIR
Roniyus
Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung Bandar Lampung 35145 Indonesia
*Alamat korespondensi e-mail: [email protected]
Diterima 27 Mei 2008, revisi 1 Agustus 2008, disetujui untuk diterbitkan 5 Agustus 2008 ABSTRACT
Researches of electric field influence to the water evaporation level have been done. These researches used parallel plat capacitors as electric field generators. Results of these researches show that the percentage of evaporation water volume has second power polynomial dependence to the electric field (V/m) in form %Vu =6×10−7E2 −2.2×10−3E+16.501. The evaporation of water is going to be faster when much hydrogen bounding between water molecules are broken if the water temperature is increased. But according to the results that the water temperature is not increased by the electric field, it means that electric field cannot cause the water hydrogen bounding broken. So, the evaporation of water is increased because the air temperature on the water surface is increased too when the electric fields presence.
Keywords: water evaporation, electric field
1. PENDAHULUAN
Ide penelitian ini diawali oleh beberapa penelitian pendahuluan di bidang biofisika yang memanfaatkan medan magnet. Penelitian-penelitian tersebut merupakan penelitian-penelitian tugas akhir yang bertemakan pengaruh medan magnet terhadap perkecambahan dan pertumbuhan tanaman uji yang dilakukan oleh beberapa orang mahasiswa yang menjadi bimbingan penulis1,2,3). Pengaruh kenaikan suhu air pada penelitian-penelitian tersebut sebagai akibat adanya medan magnet belum dapat dihilangkan. Dari penelitian-penelitian tersebut didapatkan informasi bahwa air yang berada pada media tanam mengalami peningkatan penguapan ketika berada di dalam medan magnet. Apakah penguapan tersebut disebabkan oleh medan magnet, suhu air yang meningkat atau suhu udara di atas permukaan air yang meningkat.
Berdasarkan hal tersebut, penulis melakukan penelitian berupa analisis pengaruh medan magnet terhadap tingkat penguapan air dengan mengeliminir pengaruh kenaikan suhu air akibat medan magnet menggunakan selimut dari aliran air sebagai pendingin yang membungkus bejana yang digunakan4). Dari penelitian tersebut tampak bahwa hadirnya medan magnet justru memperlambat penguapan, artinya peningkatan penguapan air di dalam medan magnet pada penelitian-penelitian mahasiswa sebelumnya lebih disebabkan oleh meningkatnya suhu air dan suhu udara di atas permukaan air. Penelitian tersebut kemudian diperluas lagi menjadi penelitian ini yaitu mengenai pengaruh medan listrik terhadap penguapan air. Perluasan tersebut dimaksudkan agar informasi yang diperoleh dapat lebih lengkap, mengingat medan magnet dan medan listrik merupakan dua hal yang saling terkait dan tak dapat dipisahkan satu sama lain. Selain itu juga dimaksudkan agar penelitian ini dapat memberikan informasi penting yang dapat menunjang rencana penelitian mengenai pertumbuhan dan perkembangan cocor bebek (Kalanchoe piñata Pers.) di sekitar medan listrik, medan magnet dan gelombang elektromagnetik yang juga akan dilakukan oleh penulis bersama dengan rekan peneliti lain di Jurusan Biologi FMIPA Universitas Lampung 5).
Adapun penelitian-penelitian yang sudah pernah dilakukan di bidang penelitian ini adalah penelitian mengenai pengaruh medan listrik berfrekuensi tinggi (10 kHz – 300 GHz) terhadap tingkat penguapan air yang ada di udara 6). Hasil penelitian tersebut menunjukkan bahwa tingkat penguapan air yang ada di udara meningkat secara signifikan dengan adanya medan listrik berfrekuensi tinggi tersebut. Perbedaan penelitian tersebut dengan penelitian ini adalah digunakannya medan listrik konstan (tidak berfrekuensi) dan berkekuatan tinggi di sekitar medan listrik ambang WHO.
Penelitian lain yang telah pula dilakukan adalah penelitian EHD (Electrohydrodynamics) mengenai pengaruh medan listrik terhadap penguapan air yang diam dan yang tidak mengalir 7). Dari penelitian tersebut didapatkan informasi bahwa penggunaan medan listrik pada air yang diam menyebabkan meningkatnya penguapan air namun tidak demikian halnya pada air yang mengalir. Perbedaan penelitian tersebut dengan penelitian ini adalah pada penelitian ini (a) digunakan medan listrik berbentuk lurus (tidak melingkar), (b) digunakan medan listrik dalam waktu yang cukup lama (10 hari), dan (c) dihasilkannya bentuk ketergantungan penguapan air terhadap kuat medan listrik.
Penelitian lain yang terkait dengan penelitian ini adalah simulasi dinamika molekul air untuk mengamati ketergantungan densitas dan densitas polarisasi air ketika berada di antara dua keping grafit bermuatan yang berbeda ukuran (9.8 × 9.2 dan 17.7 × 17.2 Å) dan terpisah pada variasi jarak 8.0, 9.5, dan 16.4 Å, pada suhu 298 K (25 oC) dan tekanan 1 atm8). Dari hasil simulasi ini didapatkan bahwa penggunaan medan listrik menyebabkan terjadinya penurunan densitas air seiring dengan peningkatan kekuatan medan listrik. Hasil simulasi ini tentunya perlu dibuktikan dengan serangkaian eksperimen yang mendukungnya.
Berdasarkan latar belakang yang sudah dipaparkan sebelumnya maka permasalahan yang akan diselesaikan dalam penelitian ini adalah menganalisis pengaruh medan listrik terhadap tingkat penguapan air sehingga dihasilkan ketergantungan laju pengurangan volume air (Vh) terhadap kuat medan listrik (E), ketergantungan volume air yang menguap (Vu) terhadap kuat medan listrik (E), ketergantungan prosentase volume air yang menguap (%Vu) terhadap kuat medan listrik (E), dan pengaruh medan listrik terhadap suhu udara di atas permukaan air.
Medan listrik yang digunakan dalam penelitian ini dapat diperoleh dengan berbagai macam cara, salah satunya adalah dengan menggunakan kapasitor keping sejajar (Gambar 1).
Gambar 1. Kapasitor keping sejajar
Kuat medan listrik (E) yang timbul dalam ruang di antara kedua keping kapasitor adalah 9)
d V
E = (1) dengan E adalah kuat medan listrik di antara kedua keping (V/m atau N/C), V adalah kuat sumber tegangan searah (Volt), dan d adalah jarak antar keping kapasitor (m).
2. METODE PENELITIAN 2.1. Alat dan Bahan
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah solder listrik, gunting, mistar, multimeter, sumber tegangan searah yang dapat divariasi besar tegangannya, tang pemutus, termometer, gelas kimia, dan kipas angin kecil. Adapun bahan-bahan yang digunakan adalah papan PCB 10 cm x 20 cm, papan, kabel listrik, isolasi listrik, timah solder dan air.
2.2. Pelaksanaan Penelitian dan Pengambilan Data
Alat penelitian sebagaimana tampak pada Gambar 1 dipersiapkan sebanyak 3 buah dengan d yang berbeda-beda yaitu 20 cm, 15 cm dan 10 cm. Ketiga pembangkit medan listrik tersebut dihubungkan dengan
V E
r
V/m, 5867 V/m dan 8800 V/m. Di dalam setiap kapasitor tersebut diletakkan tiga buah gelas yang diisi air dengan volume yang sama. Volume air yang tersisa diukur setiap hari selama 10 hari. Selain itu juga dilakukan pengukuran suhu udara di atas permukaan air.
2.3. Pengolahan Data
Dari penelitian ini terlebih dahulu dibuat grafik volume air yang tersisa (V) versus hari pengamatan untuk mendapatkan laju pengurangan volume air (Vh) untuk setiap variasi kuat medan listrik (E). Setelah itu dibuat pula grafik volume air yang menguap (Vu) atau prosentase volume air yang menguap (%Vu) versus kuat medan listrik (E).
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gradien-gradien grafik pada Gambar 2 menunjukkan kelajuan pengurangan volume air (Vh) untuk setiap variasi kuat medan listrik. Apabila kelajuan pengurangan volume air (Vh) untuk setiap variasi kuat medan listrik tersebut diplot terhadap setiap variasi kuat medan listrik maka didapatkan Gambar 3.
V = -3.0007h + 175.77
V = -3.3485h + 174.85
V = -3.8009h + 173.49
V = -7.272h + 174.34
0.00
20.00
40.00
60.00
80.00
100.00
120.00
140.00
160.00
180.00
200.00
0
5
10
15
h (Hari ke-)
V
(
m
l)
E = 0 V/m
E = 4400 V/m
E = 5867 V/m
E = 8800 V/m
Gambar 2. Volume air yang tersisa (V) versus hari pengamatan (h) dengan kuat medan E = 0 V/m, E = 4400 V/m, E = 5867 V/m, dan E = 8800 V/m.
Dari Gambar 3 tampak bahwa laju pengurangan volume air (Vh) semakin bertambah seiring dengan meningkatnya kuat medan listrik (E) yang dikenakan pada air. Ketergantungan Vh terhadap E ini berbentuk polinomial pangkat dua yaitu Vh =10−7E2 −4×10−4E+3.025 ml/hari. Bentuk ketergantungan ini merupakan bentuk ketergantungan yang terbaik daripada bentuk ketergantungan lain yang sudah dicoba untuk diterapkan seperti linear, eksponensial dan logaritmik.
Vh = 1E-07E 2 - 0.0004E + 3.025 R2 = 0.9921 0 2 4 6 8 0 2000 4000 6000 8000 10000 E (V/m) Vh ( m l/ h a ri )
Gambar 3. Laju pengurangan volume air (Vh) versus kuat medan listrik (E)
Vu = 1E-06E 2 - 0.0037E + 28.548 R2 = 0.9921 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 2000 4000 6000 8000 10000 E (V/m) Vu ( m l)
Gambar 4. Volume air yang menguap (Vu) versus kuat medan listrik (E)
%Vu = 6E-07E 2 - 0.0022E + 16.501 R2 = 0.9921 0 10 20 30 40 50 0 2000 4000 6000 8000 10000 E (V/m) % Vu
Jika bentuk ketergantungan Vh terhadap E berbentuk polinomial pangkat dua maka bentuk ketergantungan ini juga dijumpai pada ketergantungan volume air yang menguap (Vu) terhadap kuat medan listrik (E) yaitu Vu =10−6E2 −3.7×10−3E+28.548 ml dan ketergantungan prosentase volume air yang menguap (%Vu) terhadap kuat medan listrik (E) yaitu %Vu =6×10−7E2 −2.2×10−3E+16.501, hal ini sebagaimana disajikan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Akhirnya, berdasarkan Gambar 3 – 5 dapat disimpulkan bahwa medan listrik yang diberikan kepada air dapat meningkatkan penguapan pada air tersebut. Air dapat menguap lebih mudah apabila ikatan hidrogen yang mengikat antara molekul air yang satu dengan yang lain mengalami pemutusan, sehingga molekul air berdiri sendiri-sendiri. Putusnya ikatan hidrogen yang energi ikatnya sekitar 1 – 2 kalori hanya dapat terjadi jika air mengalami kenaikan suhu, sedangkan suhu air dalam penelitian ini tidak mengalami kenaikan atau perbedaan yang signifikan untuk semua variasi kuat medan listrik. Hal ini dapat disimak pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1. Suhu air ketika diberi variasi medan listrik
Hari ke-
E = 0 V/m E = 4400 V/m E = 5867 V/m E = 8800 V/m Suhu Sampel (OC) ke-
1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 0 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 2 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 25.5 3 26 26 26 26 26 26 26 26 26 26 25.5 26 4 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 5 27 27 27 27 27 27 27 27 27 26.5 27 26.5 6 27 27 27 26.5 27 27 27 27 27 26 27 26.5 7 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 8 27 27 26.5 27 26.5 26.5 26 27 27 26 26 26 9 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 27 10 27 27 27 26 26 26 26 26 26 26 26 26
Selain berdasarkan Tabel 1, untuk semakin memperkuat argumentasi bahwa kuat medan listrik yang digunakan dalam penelitian ini tidak dapat memutuskan ikatan hidrogen air maka berikut ini diberikan
perhitungan rapat energi listrik yang ditimbulkan oleh medan listrik yang digunakan di dalam penelitian ini dan dibandingkan dengan dengan rapat energi listrik yang ada di dalam kedua molekul air yang memiliki ikatan hidrogen.
Jika W adalah energi yang disimpan oleh kedua keping kapasitor, V adalah volume yang dibentuk oleh kedua keeping kapasitor, maka rapat energi listrik per satuan volume yang ditimbulkan oleh medan listrik di antara dua keping kapasitor dapat dihitung dengan cara sebagai berikut 10)
V W
u= . (2) Lalu, mengingat energi yang disimpan oleh kedua keping kapasitor adalah 10)
W = 21C.∆V2, (3)
dengan C adalah kapasitas kapasitor keping sejajar yang dimiliki oleh kedua keping yang dapat dihitung dengan 10) d A k C =
ε
0 , (4)dengan k adalah konstanta dielektrik untuk udara yang nilainya adalah 1,000059 11),
0
ε
adalah permetivitas ruang hampa yang besarnya 8,85×10−12C2N-1m-2, A adalah luas keping kapasitor dan d adalah jarak antar keeping kapasitor. Kemudian mengingat volume ruang yang dibentuk oleh kedua keping kapasitor adalahV = Ad, (5)
serta mengingat pula kuat medan listrik yang ada di antara kedua keping kapasitor adalah10)
d V
E = ∆ , (6) dengan ∆V adalah beda potensial (tegangan) pada kedua keping kapasitor maka substitusi Persamaan (3) – (6) ke Persamaan (2) menghasilkan rapat energi yang dimiliki oleh kedua keping kapasitor bermuatan tersebut adalah
2 0 2 1k E
u=
ε
. (7) Dari Persamaan (7) didapatkan rapat energi listrik per satuan volume yang dimiliki oleh kuat medan listrik 4400 V/m, 5867 V/m dan 8800 V/m berturut-turut adalah 5.05×10−9J/m3, 8.99×10−9J/m3 dan8
10 02 .
2 × − J/m3.
Selanjutnya, rapat energi listrik yang dimiliki oleh kedua molekul air yang diikat oleh ikatan hidrogen dapat dihitung pula dengan menggunakan Persamaan (2) dengan menganggap volume kedua molekul tersebut sama dengan volume 4 atom hidrogen dan 1 atom oksigen yang masing-masing dianggap berbentuk bola dengan jari-jari 10−10m 12) dan energi ikatan hidrogennya 2 kal. Dari penjelasan tersebut diperoleh perkiraan rapat energi listrik yang tersimpan di dalam dua molekul air yang diikat dengan ikatan hidrogen tersebut adalah 3,3×1026 J/m3.
Dari perhitungan di atas tampak bahwa rapat energi listrik yang dimiliki oleh medan listrik yang digunakan dalam penelitian ini jauh lebih kecil daripada perkiraan rapat energi listrik yang dimiliki oleh molekul air maka dapat diperkirakan bahwa medan listrik yang digunakan di dalam penelitian ini belum dapat memutuskan ikatan hidrogen air. Meningkatnya laju penguapan air pada penelitian ini diduga disebabkan oleh meningkatnya suhu udara di atas permukaan air. Dugaan meningkatnya suhu udara di atas permukaan air akibat adanya medan listrik tersebut diperkuat oleh data pengukuran suhu udara yang dilakukan dalam penelitian ini tetapi menggunakan kuat medan listrik yang sedikit berbeda.
Tabel 2. Peningkatan suhu udara di atas permukaan air akibat adanya medan listrik
Kuat Medan Listrik (V/m) Suhu (˚C)
0 26
3333 26,6
6666 27,3
10000 28-29
Dari Tabel 2 tersebut tampak bahwa suhu udara meningkat ketika medan listrik yang diberikan juga lebih besar. Jadi meningkatnya penguapan air oleh medan listrik lebih diakibatkan oleh meningkatnya suhu udara di atas permukaan air sebagai akibat keberadaan medan listrik.
4. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil dan pembahasan yang telah dipaparkan sebelumnya, dapat disusun beberapa kesimpulan untuk penelitian ini, yaitu ketergantungan laju pengurangan volume air (Vh) terhadap kuat medan listrik (E) yang diberikan pada air berbentuk polinomial pangkat dua yaitu
025 . 3 10 4 10 7 2− × 4 + = − − E E
Vh ml/hari. Selain itu didapatkan pula ketergantungan volume air yang menguap (Vu) terhadap kuat medan listrik (E) yang diberikan pada air berbentuk
548 . 28 10 7 . 3 10 6 2− × 3 + = − E − E
Vu ml dan ketergantungan prosentase volume air yang menguap (%Vu) terhadap kuat medan listrik (E) yang diberikan pada air berbentuk
501 . 16 10 2 . 2 10 6
%Vu = × −7E2 − × −3E+ . Secara umum dapat dinyatakan bahwa peningkatan
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini dapat dilaksanakan dengan baik berkat bantuan dana dari Proyek Pengembagan Diri (PPD) HEDS Tahun Anggaran 2005. Untuk itu, melalui tulisan ini, peneliti bermaksud mengucapkan terima kasih kepada Pimpinan PPD HEDS Project atas segala bantuan yang telah diberikan.
DAFTAR PUSTAKA
1. Putra, Y., 2003, Observasi Perkecambahan dan Pertumbuhan Kecambah Biji Kacang Hijau (Vigna
radiata Linn) Di Dalam Medan Magnet, Skripsi S1, Jurusan Biologi FMIPA Universitas Lampung.
2. Kamelia, M., 2004, Apakah Medan Magnet Mempengaruhi Penyerapan Unsur Fe dan Pertumbuhan Kedelai (Glycine max (L.) Merr) ?, Skripsi S1, Jurusan Biologi FMIPA Universitas Lampung.
3. Manaf, Y. H., 2004, Kandungan Nitrogen dan Laju Pertumbuhan Vegetatif Kacang Kedelai (Glycine max (L.) Merr) Yang Ditumbuhkan Pada Daerah Bermedan Magnet Dengan Kekuatan Yang Berbeda, Skripsi
S1, Jurusan Biologi FMIPA Universitas Lampung.
4. Marjunus, R., 2006, Analisis Pengaruh Medan Magnet Terhadap Tingkat Penguapan Air, Jurnal Ilmu
Dasar, 7 (2): 140 – 145.
5. Marjunus, R. dan Agustrina, R., 2005, Pertumbuhan dan Perkembangan Cocor Bebek (Kalanchoe
piñata Pers.) di Sekitar Medan Listrik, Medan Magnet dan Gelombang Elektromagnetik, Proposal Hibah Bersaing 2005, FMIPA, Universitas Lampung.
6. Chaffin, J. H., 1996, Evaporation of water using high frequency electric fields, US Patent, 15th October 1996.
7. Lai, F.C., Huang, M., dan Wong, D. S., EHD – Enhanced Water Evaporation, J. Drying Tech., 22: 597 – 608.
8. Vaitheeswaran, S., Yin, H., dan Rasaiah, J. C., 2005, Water between Plates in the Presence of an Electric . Field in an Open System, J. Phys. Chem. B, 109 (14): 6629 – 6635.
9. Halliday D., dan Resnick, R., 1978, Fisika Jilid 2, Diterjemahkan oleh Silaban, P. dan Sucipto, E., Penerbit Erlangga, Jakarta.
10. Wangsness, R. K., 1979, Electromagnetic Fields, Penerbit John Wiley and Sons, New York. USA. 11. Surya, Y., 2003, Fisika Itu Mudah, Penerbit PT. Sumber Daya MIPA, Jakarta.
12. Kittel, C., 1996, Introduction to Solid State Physics (Seventh Edition), Penerbit John Wiley and Sons, Canada.
