Proses terjadinya petir

Pada postingan sebelumnya sudah membahas mengenai listrik statis. Dalam pembahasan listrik statis dijelaskan bahwa salah satu penomena alam yang merupakan contoh listrik statis adalah petir (halilintar). Dalam postingan tersebut juga sudah disinggung mengenai petir dan proses terjadinya petir secara sederhana serta cara menangkal bahaya petir.

Petir (halilintar) merupakan peristiwa loncatan bunga api dari langit menuju permukaan bumi. Petir (halilintar) merupakan peristiwa alami melocatnya muatan-muatan listrik dari awan ke permukaan bumi karena perbedaan potensial listrik antara awan dan permukaan bumi. Syarat utama terjadinya locatan muatan elektron di awan di mulai dari pergerakan angin ke atas di dalam awan cumulus dengan kecepatan mencapai 150 km/jam. Di dalam awan, uap air berkondensasi menjadi partikel air yang lebih kecil lagi namun partikelnya lebih stabil. Bila ketinggian awan cumulus tersebut cukup tinggi, maka pergerakan angin di dalam awan tersebut dapat mempunyai dibawah 0 derajat celcius.

Hal ini menyebabkan partikel air di dalam awan membeku, membentuk partikel es. Melalui proses resublimasi, berubahlah fisik partikel air ini. Sejalan dengan waktu, bergabunglah beberapa partikel es menjadi partikel kumpulan es yang besar dan berat. Partikel salju ini akan jatuh karena daya gravitasi atas beratnya sendiri ke permukaan bumi. Pada stadium ini, terpecah beberapa kristal es yang lebih kecil dan ringan dari kumpulan kumpulan es yang lebih berat. Perpecahan ini memecah juga struktur elektron di dalamnya.

Hal ini mengakibatkan kumpulan es yang lebih berat akan jatuh ke lapisan awan dibawahnya dan kumpulan ini mempunyai muatan negatif. Sedangkan partikel es yang terpisah dari kumpulan es berat, akan tertiup angin di dalam awan ke arah lapisan atas awan. Hal ini menjadikan lapisan awan dibagian atas mempunyai muatan positif. Pristiwa ini mengakibatkan terkutubnya listrik di awan atas 2 kutub berbeda (positif bagian atas awan dan negatif di bagian bawah muatan awan).

Di dalam awan bagian atas terjadi masa angin yang meniup ke arah bawah, membentuk kanal  saluran angin yang bermuatan negatif. Muatan angin negatif dari bagian atas awan akan dipengaruhi muatan negatif bagian bawah awan yang lebih kuat. Hukum Coulomb akan berlaku di sini, yang menyatakan apabila muatan yang sama (positif dan positif atau negatif dan negatif) saling bertabrakan, maka akan terjadi gaya tolak menolak di antara keduanya dan pada saat yang sama terjadi gaya tarik menarik antara muatan yang berbeda (positf dan negatif). Selanjutnya, bagian bawah awan akan mencair menjadi partikel air, dengan bermuatan positif, meninggalkan bagian bawah awan yang bermuatan negatif.

Petir (halilintar) merupakan usaha alami untuk menetralkan muatan listrik yang dimiliki oleh awan. Untuk terciptanya loncatan listrik petir dari awan ke permukaan tanah, kedua lokasi harus mempunyai perbedaan tegangan listrik hingga sebesar 10 juta volt. Udara mempunyai kemampuan mentransfer listrik bila listrik tersebut mempunyai tegangan sebesar 3 juta volt setiap meternya. Nilai ini akan berkurang bila kelembaban udara meningkat.

Dalam kenyataannya, dalam meningkatnya, tapi hanya mencapai sekitar 200 ribu volt per meter. Nilai ini jauh dibawah kemampuan transfer listrik melalui udara. Penelitan sekarang ini menemukan bahwa walaupun kemampuan transfer listrik udara hanya 200.000 volt per meter, sebelumnya udara telah beraksi melalui proses ionisasi menjadi lebih bersifat penghantar listrik. Sebelum petir tercipta, telah terbentuk di udara sebuah jalur elektron karena proses ionisasi antara udara dengan elektron.

Jalur ionisasi kanal di udara tersebut menyerupai bentuk anak tangga (zig-zag ), yang menghubungkan anatara awan dan permukaan tanah. Bentuk zig-zag terjadi karena ionisasi terjadi bervariasi disetiap lapisan udara, dari meter ke meter berikutnya. Setelah terjadi jalur konduktor di udara, petir dapat terjadi cukup dengan perbedaan tegangan sebesar 250 ribu elektronvolt antara awan ke awan atau awan ke permukaan tanah. Sesaat sebelum terjadinya petir, terbentuk di permukaan tanah sebuah (atau lebih) jalur penerima tegangan. Jalur penerima tegangan ini biasanya tercipta di pucuk bentuk yang form runcing diatas permukaan tanah (seperti: pucuk pohon, pucuk bangunan tinggi, menara dan sebagainya), yang biasanya mempunyai ketinggian yang paling tinggi dengan kondisi sekelilingnya.

Biasanya (meskipun tidak selalu) terbentuk bersamaan antara jalur ionisasi elektron dengan jalur penerima tegangan di atas permukaan tanah. Jalur kanal ini diketahui mempunyai radius dimensi sebesar 12 mm, yang nantinya menjadi jalur utama petir. Jalur ini nantinya akan sangat terang  pada saat terjadinya petir. Cahaya terang petir disebabkan karena terbentuknya proses plasma dalam jalur kanal tersebut.

Suara gemuruh petir merupakan hasil dari pemanasan udara yang ada di dalam jalur utama petir oleh loncatan listrik. Diketahui udara di dalam kanal dipanaskan hingga suhu 30.000 °C. Pemanasan dalam waktu tiba-tiba dengan suhu sedemikian tinggi membuat suara ledakan gemuruh di dalamnya. Karena kecepatan cahaya (3 x 10⁸ m/s), lebih cepat daripada kecepatan suara (332 m/s), kita melihat cahaya petir dahulu, baru kemudian disusul suara gemuruhnya. Dari sini kita bisa memperkirakan, jarak terjadinya petir dengan tempat kita berdiri dengan menghitung waktu antara terjadinya cahaya petir dengan suara gemuruh. Misalnya kamu melihat kilatan petir, 5 detik kemudian terdengar suara gemuruhnya. Berapakah jarak sumber petir tersebut dari tempat kamu berdiri?

Dengan menggunkan konsep cepat rambat gelombang bunyi kita dapat hitung berapa jarak sumber petir tersebut dari tempat kamu berdiri. Kita asumsikan suhu di langit mencapai 0° C, sehingga cepat rambat gelombang bunyi di udara adalah sebesar 332 m/s. Dengan menggunakan rumus cepat rambat gelombang bunyi yakni:

v = s/t

maka:

s = vt,

s = (332 m/s) x 5 s

s = 1660 m

s =1,66 km

Jadi sumber petir tersbut berada pada jarak 1660 m dari sumber pengamat berdiri.