1. Proses Pembentukan Muatan di Awan (Fisika Atmosfer)
- Pemisahan Muatan (Charge Separation):
- Pada awan badai (cumulonimbus), partikel es dan tetesan air yang bergerak naik dan turun akibat arus konvektif mengalami tumbukan.
- Partikel kecil (positif) cenderung terbawa ke bagian atas awan oleh arus naik, sedangkan partikel besar (negatif) tertarik ke bagian bawah awan oleh gravitasi.
- Pemisahan ini menciptakan dipol listrik atmosfer.
- Mekanisme ini dijelaskan melalui teori triboelektrik dan efek termodinamika pada partikel dalam aliran turbulen.
2. Medan Listrik di Atmosfer
- Hukum Gauss untuk Medan Listrik:∮E⃗⋅dA⃗=Qε0\oint \vec{E} \cdot d\vec{A} = \frac{Q}{\varepsilon_0}∮E
- Hukum ini menunjukkan bahwa distribusi muatan pada awan menghasilkan medan listrik. Medan yang dihasilkan di bawah awan badai dapat teramplifikasi hingga mencapai nilai kritis.
- Pelepasan Dielektrik Udara: Udara pada kondisi normal adalah isolator dengan kekuatan dielektrik sekitar 3×106 V/m3 \times 10^6 \, \text{V/m}3×106V/m. Ketika medan listrik melampaui nilai ini, molekul-molekul udara terionisasi, menciptakan plasma.
3. Ionisasi dan Jalur Plasma
- Avalanche Elektron (Pelepasan Townsend): Ionisasi dimulai dengan beberapa elektron bebas yang dipercepat oleh medan listrik kuat. Elektron-elektron ini bertumbukan dengan molekul udara lain, menghasilkan lebih banyak elektron bebas dalam reaksi berantai.e−+N2→e−+N2++e−e^- + \text{N}_2 \to e^- + \text{N}_2^+ + e^-e−+N2→e−+N2++e−Proses ini mempercepat pembentukan plasma dalam jalur petir.
- Pelepasan Streamer: Setelah terbentuk plasma awal, pelepasan streamer (jalur bercabang dari plasma) bergerak mencari muatan berlawanan, membentuk jalur konduktif utama untuk pelepasan listrik.
4. Arus dan Energi Petir
- Hukum Ohm Dinamis: Setelah jalur plasma terbentuk, arus listrik yang sangat besar mengalir, dengan intensitas rata-rata antara 10410^4104 hingga 105 A10^5 \, \text{A}105A. Tegangan antar titik dapat mencapai ratusan juta volt.
- Daya dan Energi: Energi yang dilepaskan dapat dihitung dengan:W=V⋅I⋅tW = V \cdot I \cdot tW=V⋅I⋅tContoh: Dengan tegangan 108 V10^8 \, \text{V}108V, arus 104 A10^4 \, \text{A}104A, dan durasi 1 ms1 \, \text{ms}1ms, energi total adalah 109 J10^9 \, \text{J}109J, setara dengan energi 250 kg TNT.
5. Efek Termal (Panas dan Cahaya)
- Jalur plasma memanaskan udara hingga 30,000 K30,000 \, \text{K}30,000K (lima kali lebih panas dari permukaan matahari). Panas ini menyebabkan:
- Radiasi Cahaya (Spektrum): Cahaya terang dihasilkan oleh eksitasi dan de-eksitasi molekul udara.
- Pemuaian Udara: Udara yang memuai cepat menghasilkan gelombang kejut yang kita dengar sebagai guntur.
6. Elektromagnetisme
- Gelombang Elektromagnetik: Perubahan tiba-tiba dalam arus menghasilkan medan listrik dan medan magnet yang berubah secara cepat, sesuai persamaan Maxwell:∇×B⃗=μ0J⃗+μ0ε0∂E⃗∂t\nabla \times \vec{B} = \mu_0 \vec{J} + \mu_0 \varepsilon_0 \frac{\partial \vec{E}}{\partial t}∇×B
-
- Ini menciptakan gelombang elektromagnetik yang dapat dideteksi sebagai gangguan radio atau petir di radar.
- Efek Induksi: Medan magnetik yang berubah dapat menginduksi arus pada kabel atau struktur logam di sekitar area petir (efek elektromagnetik sekunder).
7. Mekanika Fluida dan Akustik (Guntur)
- Gelombang Kejut: Pemuaian udara akibat panas ekstrem menciptakan gelombang kejut. Tekanan udara berubah secara tiba-tiba, menghasilkan suara guntur.
- Interferensi Gelombang: Suara yang kita dengar sebagai gemuruh adalah hasil interferensi antara gelombang kejut dari berbagai bagian jalur petir.
8. Fenomena Terkait
- Petir Positif: Petir ini berasal dari bagian atas awan (muatan positif) dan memiliki energi lebih besar serta lebih jarang terjadi.
- Petir Bola (Ball Lightning): Masih menjadi misteri, tetapi diduga melibatkan plasma stabil dengan energi tinggi yang bergerak lambat.
- Sprite, Jet, dan Elf: Fenomena petir di atmosfer atas yang memancarkan cahaya merah atau biru akibat pelepasan energi di lapisan mesosfer.
Kesimpulan
Fenomena petir melibatkan berbagai aspek fisika—dari elektrostatika, medan listrik, termodinamika, elektromagnetisme, hingga akustik. Studi mendalam tentang petir tidak hanya penting untuk memahami fenomena alam, tetapi juga memiliki aplikasi praktis, seperti perlindungan dari sambaran petir, desain penangkal petir, dan pemahaman gangguan elektromagnetik di sistem elektronik.
