Bagaimana Proses Terjadinya Petir?

Ketika kita memperhatikan proses terjadinya petir saat hujan turun, mungkin kita tidak menyadari bahwa sesungguhnya pada saat itu terjadi loncatan sejumlah muatan listrik. Namun pernahkah kita berpikir apakah muatan listrik tersebut sama dengan listrik yang sehari-hari kita gunakan di rumah?

Sejak ditemukannya lampu listrik oleh Thomas Alfa Edison sekitar satu abad yang lalu, kini hampir setiap orang memiliki ketergantungan terhadap energi listrik tersebut. Kelistrikan sendiri terbagi dalam dua bagian, yaitu listrik statis (electrostatic) yaitu fenomena kelistrikan dengan muatan listrik dalam keadaan diam, dan listrik dinamik (electrodynamic) yaitu fenomena kelistrikan dengan muatan listrik dalam keadaan bergerak. [1]

Listrik Statis

Pernahkah saat kecil anda memainkan sebuah penggaris dengan potongan kertas kecil? Kemudian menggosok-gosokan penggaris ke rambut dan mendekatkan penggaris tersebut ke kertas kecil tadi. Potongan kertas kecil tersebut akan terangkat menuju penggaris tadi. Fenomena ini merupakan contoh listrik statis.

Listrik statis merupakan kumpulan muatan listrik dalam jumlah tertentu yang tetap (statis), muatan listrik muncul karena adanya perpindahan elektron dari satu benda ke benda lain. [2]

Muatan Listrik

Carles Agustin Coulomb (1736-1806) merupakan sarjana fisika Prancis pertama yang menjelaskan tentang kelistrikan secara ilmiah. Percobaan dilakukan dengan menggantung dua bola ringan pada seutas benang sutra. [3]

Gambar 1. Percobaan Menggantung Dua Bola Ringan

Sumber : https://blog.ub.ac.id/anggiablog/2013/10/17/listrik-statis/

Selanjutnya sebatang karet digosok dengan bulu, kemudian didekatkan pada dua bola ringan yang digantung. Hasilnya adalah kedua bola tersebut tolak menolak dan beberapa saat kemudian kembali ke kondisi semula. Kedua bola juga akan tolak menolak apabila sebuah gelas digosok dengan kain sutra dan kemudian didekatkan pada dua bola ringan tersebut.

Apabila karet yang telah digosok dengan bulu didekatkan pada salah satu bola, dan gelas yang telah digosok dengan kain sutra didekatakn pada bola yang lain, maka dua bola ringan tersebut akan tarik menarik.

Gejala ini merupakan contoh konsep muatan listrik. Muatan yang ditolak oleh gelas yang digosok kain sutra adalah muatan positif, sedangkan muatan yang ditolak oleh karet yang digosok dengan bulu adalah muatan negatif.

Dari percobaan yang telah dilakukan coulomb menyimpulkan bahwa terdapat dua jenis muatan, yaitu muatan positif dan muatan negatif. Selanjutnya Coulomb menyatakan bahwa gaya tarik menarik atau tolak menolak antara dua partikel bermuatan berbanding langsung dengan perkalian besar muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara kedua muatan yang selanjutnya disebut dengan Hukum Coulomb. [4]

Bagaimana Terjadinya Petir?

Penemuan petir sebagai arus listrik dipopulerkan oleh Benjamin Franklin pada tahun 1752 lewat usulan percobaan layangannya yang kontroversial [5]. Franklin mengusulkan untuk menggantung bejana Leyden, sebuah alat untuk menyimpan arus listrik, pada benang sutera layangan yang diterbangkan ketika cuaca berpetir.

Rancangan percobaannya ini dimodifikasi oleh Thomas-François Dalibard dengan membuat sebuah instrumen mirip penangkal petir modern. Ia mengamati munculnya percikan api yang dihasilkan oleh batang besi terisolasi ketika awan petir berada di dekatnya, lantas, menyimpulkan bahwa petir adalah arus listrik.

Ketika awan dipenuhi dengan muatan listrik, muatan positif akan terbentuk pada bagian atas awan dan muatan negatif akan berada di bagian bawah awan. Ketika muatan positif dan muatan negatif semakin besar dan menjadi cukup besar, akan terjadi percikan besar antara awan. Biasanya petir terjadi di antara awan, namun terkadang terjadi antara awan dengan permukaan bumi. [3]

Gambar 2. Petir

(sumber: https://id.wikipedia.org/wiki/Berkas:Thunder.jpg)

Muatan positif yang muncul pada permukaan bumi akan menarik muatan negatif pada bagian bawah awan. Muatan positif pada permukaan bumi akan terkumpul pada sesuatu yang menonjol, seperti pohon, bangunan, surja petir bahkan manusia. Ketika muatan positif pada permukaan terhubung dengan muatan negatif pada awan, percikan besar akan terjadi. Percikan tersebut merupakan petir yang biasa kita lihat. [3]

Jadi pada dasarnya, petir merupakan fenomena listrik statis yang terjadi secara alami dengan cakupan yang besar. Sebelumnya telah dijelaskan bahwa listrik statis merupakan fenomena kelistrikan tanpa adanya perpindahan muatan listrik. Sementara listrik yang biasa kita gunakan di rumah merupakan listrik dinamis, yang ditransmisikan dari pembangkit-pembangkit, kemudian didistribusikan ke setiap rumah melalui saluran konduktor.

Referensi:

[1] R. Resnick and D. Halliday, “Fundamentals of Physics,” vol. 53, p. 160, 1989.

[2] E. Kashy, F. N. H. Robinson, E. E. Suckling, and S. B. McGrayne, “Electricity.” [Online]. Available: https://www.britannica.com/science/electricity#ref71552. [Accessed: 09-May-2020].

[3] “What causes lightning?” [Online]. Available: http://www.planet-science.com/categories/over-11s/natural-world/2012/06/what-causes-lightning.aspx. [Accessed: 08-May-2020].

[4] L. N. Dworsky, “Introduction to Numerical Electrostatics Using MATLAB®,” Introd. to Numer. Electrost. Using MATLAB®, pp. 1–31, 2014.

[5]      P. Krider. “Benjamin Franklin and lightning rods”. Physics Today 59, 1, 42 (2006); https://doi.org/10.1063/1.2180176