Petir terjadi berawal dari proses fisika dimana terjadi pengumpulan-pengumpulan muatan listrik awan. Dalam keadaan normal, pada atmosfir bumi terdapat ion positif dan ion negatif yang tersebar acak. Ion-ion ini terjadi karena tumbukan ataom, pancaran sinar kosmis dan energi thermis. Pada keadaan cuaca cerah terdapat medan lisrik yang berarah kebawah menuju bumi. Dengan adanya medan lisrik tersebut maka butiran-butiran yang ada di udarah akan terpolarisasi karena induksi. Bagian atas bermuatan negatif dan bagian bawah bermuatan positif. Terdapat tiga syarat untuk timbulnya petir yaitu adanya udara naik, kelembaban dan partikel bebas atau aerosol. Udara naik ada karena sebagai pergerakan udara keatas, dengan adanya kelembaban, Udara yang naik menjadi basah dan menghasilkan awan,
Didalam awan ada kalanya terjadi pergerakan arus udara keatas membawa butir-butir air yang berat jenisnya lebih tinggi. Karena mengalami pendinganan, butiran air ini membeku sehingga berat jenisnya membesar mengakibatkan gerakan kebawah dengan kecepatan sangat tinggi. Dalam pergerakannya, timbul gaya tarik terhadap ion-ion negative dan ion positif ditolak. Akibat butiran air besar yang mengandung ion negative dan berkumpul dibagian bawah awan, sementara pada bagian atas awan akan berkumpul ion bermuatan positif.
Bersamaan terjadinya pengumpulan muatan, pada awan akan timbul medan listrik yang itensitasnya semakin besar dan akibatnya gerakan kebawah butir-butir air menjadi terhambat atau terhenti. Akibat terbentuknya medan listrik antara awan dan permukaan bumi. Apabila medan lisrtik ini melebihi kekuatan tembus udara terjadilah pelepasan muatan. Distribusi muatan di awan, pada umumnya dibagian atas dimuati muatan positif, Muatan negatif akan menempati sisi bawah karena itu lah awan bisa mengandung muatan. Sedangkan di saat yang bersamaan bumi itu selalu netral, sehingga terjadi perbedaan potensial antara awan dan bumi. Jika perbedaan potensial itu cukup besar, akan terjadi proses pembuangan elektron supaya tercapai kesetimbangan. Nah, proses pembuangan elektron inilah yang menyebabkan perpindahan arus listrik yang biasa kita lihat sebagai kilatan cahaya di musim hujan.
Yang jadi pertanyaan sekarang adalah, mengapa musim hujan? Mengapa petir biasa terjadi saat akan hujan sehingga petir bisa menjadi salah satu petunjuk akan turun hujan? Jawabannya adalah, karena pada saat hujan atau akan hujan, kadar air di udara menjadi tinggi sehingga daya isolator udara menurun dan menyebabkan arus lebih mudah mengalir. Terkadang petir juga terjadi antar awan karena seperti yang telah ditulis di atas, ada awan yang bermuatan positif dan ada yang bermuatan positif.
Biasanya petir disertai dengan suara gemuruh yang biasa disebut guruh atau biasanya dibilang geledek, suara yang kencang itu terjadi karena saat udara dilewati petir, terjadi pemanasan dan pemuaian udara dengan sangat cepat sehingga udara menjadi plasma dan meledak menghasilkan suara yang menggelegar.Sebenarnya proses terbentuknya suara ini terjadi bersamaan dengan saat terjadi petir, namun biasanya guruh baru terdengar setelah petir terlihat. Keterlambatan suara guruh itu terjadi karena perbedaan antara kecepatan cahaya ( 3x100000000m/s) dan kecepatan bunyi di udara ( 340 m/s ).
Sesuai dengan rumus kecepatan :
S = V x t, Dengan
S : jarak (m)
V : kecepatan (m/s)
t : waktu (s)
dapat dihitung jarak antara petir dan pengamat dengan berpedoman pada berapa lama suara guntur terdengar setelah petir ( karena kecepatan cahaya sangat cepat maka diabaikan ) :
1 km = 340 m/s x t
1000 m = 340 m/s x t
t = 1000 s
340
t = 2.941 s
t = 3 s
Jadi biasanya jika suara guntur terdengar setelah selang waktu 3 detik berarti petir itu terletak sekitar 1 kilometer dari kita. Semakin kecil selang waktunya, berarti semakin dekat letak petir itu.
Berikut pembahasan lebih lanjut mengenai listrik statis :
Kata listrik dalam bahasa Inggris adalah electric, yang berasal dari dari bahasa Yunani electron, yang berarti amber. Amber adalah pohon damar yang membatu. Listrik dibedakan menjadi listrik statis (listrik tak mengalir) dan listrik dinamis (listrik mengalir). Listrik statis atau elektrostatika merupakan bagian dari ilmu listrik yang mempelajari sifat-sifat muatan listrik
Muatan listrik berkaitan langsung dengan susunan zat suatu benda. Semua benda tersusun atas partikel-partikel yang sangat kecil yang disebut dengan atom. Atom itu sendiri terdiri atas proton, neutron, dan electron. Proton adalah partikel atom yang bermuatan positif, neutron adalah partikel atom yang bermuatan netral dan electron adalah partikel atom yang bermuatan negative.
Suatu benda dikatakan bermuatan listrik apabila mempunyai lebih atau kurang electron dalam atomnya. Elektron dalam suatu atom mudah berpindah karena terletak di luar inti atom dan bergerak bebas mengelilingi inti. Massa electron juga sangat ringan dibandingkan massa inti, yaitu hanya 1/1840 dari massa proton. Sebaliknya proton dengan massa lebih besar terikat kuat di dalam inti oleh gaya tarik inti sehingga tidak dapat berpindah lagi.
Oleh karena itu dalam pembahasan listrik kita akan membicarakan kelebihan atau kehilangan electron bukannya kelebihan atau kekurangan proton. Atom yang bermuatan positif atau negative disebut dengan Ion. Ion terdiri atas Ion positif (ion yang bermuatan positif) dan ion negative (ion yang bermuatan negative).
Kekuatan gaya listrik statis suatu benda bermuatan tersebut dipengaruhi oleh ikatan electron pada atom benda. Semakin banyak electron yang berpindah, semakin kuat gaya listrik benda tersebut.
Muatan listrik mempunyai satuan coulomb dalan SI yang disingkat C. Satu coulomb tersebut sama dengan muatan total yang dimiliki oleh 6,24 x 10 pangkat 18 buah electron atau 6,24 x 10 pangkat 18 buah proton.Satuan muatan yang sering digunakan adalah mikrocoulomb (µ C).
Gejala kelistrikan
Gejala kelistrikan ( peristiwa yang menghasilkan muatan listrik ) pertama kali diselidiki oleh Thales of Miletus tahun 640-546 SM dari Yunani. Mereka menemukan bahwa dengan menggosokkan amber tersebut dan mendekatkannya ke benda-benda kecil, ternyata batang amber menarik benda-benda ringan seperti potongan daun-daun kecil, bulu ayam, ataupun debu.
Untuk menghasilkan muatan listrik pada suatu benda, kita dapat menggosokkan benda tersebut pada benda lain. Tindakan menggosok tersebut menyebabkan gesekan antar
benda yang selanjutnya menghasilkan muatan listrik pada benda tersebut. Dalam penggosokan dua benda (proses gesekan), muatan listrik tidaj dapat dimusnahkan, tetapi dipindahkan dari suatu benda ke benda yang lain. Sebagian benda yang digosok akan bermuatan positif dan sebagian lainnya akan bermuatan negatif. Berikut table yang menujukkan beberapa benda yang bermuatan setelah digosok dengan benda lain.
Benda
Bermuatan
positif
Bermuatan
negatif
Kaca digosok dengan kain sutra
Kaca
Kain sutra
Ebonite digosk dengan kain wol
Kain wol
Ebonite
Plastic digosok dengan kain wol
Kain wol
Plastik
Plastic digosok dengan rambut kering
Rambut kering
Plastik
Dua muatan tidak sejenis akan saling tarik-menarik dan dua muatan sejenis akan saling tolak-menolak.
Cara lain yang dapat menghasilkan muatan listrik ialah dengan cara Induksi. Induksi adalah perubahan keadaan benda akibat suatu medan. Dalam hal ini, induksi adalah perubahan berupa pemisahan muatan benda karena berdekatan dengan benda yang bermuatan listrik. Walaupun demikian, muatan secara induksi ini hanya bersifat sementara. Apabila benda bermuatannya dijauhkan, muatan benda akan kembali netral
Dalam menghantarkan muatan listrik kita mengenal Konduktor dan Isolator. Berdasarkan sifatnya dapat dikatakan bahwa isolator listrik adalah benda penghambat listrik. Isolator tidak mampu membawa muatan karena electron-elektronnya tidak bergerak (tetap diam).
Hal sebaliknya berlaku untuk konduktor yang merupakan penghantar listrik yang baik. Benda-benda logam merupakan konduktor yang baik. Bahan konduktor mempunyai electron-elektron yang dapat bergerak ke segala arah sehingga muatan dapat dihantarkan. Pergerakkan electron tersebut menyebabkan muatan dalam konduktor selalu terdistribusi rata. Apabila sebuah konduktor kekurangan atau kelebihan electron, dengan cepat electron-elektron yang lain akan bergerak sedemikian rupa agar electron yang ada tersebar merata baik untuk yang kelebihan electron maupun untuk mengisi kekosongan electron yang hilang. Hal ini menyebabkan sulit membuat konduktor bermuatan.
Konduktor hanya dapat diberi muatan jika tidak terhubung dengan bumi. Kita dapat memberi muatan pada bahan konduktor dengan cara menggosok maupun induksi jika bahan tersebut tidak terhubung (menyentuh) dengan bumi., yaitu terisolasi dari bumi. Salah satu cara benda terhubung dengan bumi adalah dengan cara menyentuhnya dengan tanganmu. Cara ini juga dikenal dengan ditanahkan. Jika benda bermuatan ditanahkan benda tersebut akan kembali netral karena kelebihan electron benda akan dialirkan ke bumi dan kekurangan electron benda akan diperoleh dari bumi sehingga benda menjadi netral.
Selain logam,kulit kita dan juga air merupakan konduktor yang baik. Inilah yang menyebabkan kita dapat terluka akibat aliran listrik. Listrik dapat mengalir melalui benda logam dan tubuh manusia terdiri atas 70% air. Jadi,jika kita menyentuh listrik secara langsung, listrik akan mengalir melalui kita dan akhirnya melukai diri kita sendiri.
GAYA LISTRIK STATIS
Hukum ini menyatakan apabila terdapat dua buah titik muatan maka akan timbul gaya di antara keduanya, yang besarnya sebanding dengan perkalian nilai kedua muatan dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar keduanya [1]. Interaksi antara benda-benda bermuatan (tidak hanya titik muatan) terjadi melalui gaya tak-kontak yang bekerja melampaui jarak separasi [2]. Adapun hal lain yang perlu diperhatikan adalah bahwa arah gaya pada masing-masing muatan terletak selalu sepanjang garis yang menghubungkan kedua muatan tersebut [3]. Gaya yang timbul dapat membuat kedua titik muatan saling tarik-menarik atau saling tolak-menolak, tergantung nilai dari masing-masing muatan. Muatan sejenis (bertanda sama) akan saling tolak-menolak, sedangkan muatan berbeda jenis akan saling tarik-menarik [4].
Notasi vektor
yang dibaca sebagai gaya yang dialami oleh muatan q1 akibat adanya muatan q2. Untuk gaya yang dialami oleh muatan q2 akibat adanya muatan q1 dituliskan dengan menukarkan indeks
, atau melalui hukum ketiga Newton dapat dituliskan
Dua buah keping sejajar diberikan muatan yang berlainan. Kedua keping tersebut dipisahkan pada jarak d dan ruang anatara kedua keeping tersebut berisi udara, maka kedua keping tersebut akan mempunyai kapasitas karena keduanya bermuatan, yang besarnya kapasitas tersebut bergantung kepada luas plat/keping, jarak anatar keping, konstanta dielektrik (bahan yang digunakan untuk mengisi ruang antar keping) dan besarnya muatan yang diberikan pada kedua plat.
Dua buah keping sejajar diberikan muatan yang berlainan. Kedua keping tersebut dipisahkan pada jarak d dan ruang anatara kedua keeping tersebut berisi udara, maka kedua keping tersebut akan mempunyai kapasitas karena keduanya bermuatan, yang besarnya kapasitas tersebut bergantung kepada luas plat/keping, jarak anatar keping, konstanta dielektrik (bahan yang digunakan untuk mengisi ruang antar keping) dan besarnya muatan yang diberikan pada kedua plat.
