bola petir sebagai bentuk pelepasan muatan listrik

JETri, Volume 2, Nomor
1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
BOLA PETIR SEBAGAI BENTUK PELEPASAN
MUATAN LISTRIK: SUATU KAJIAN
TEORITIKAL
Syamsir Abduh
Dosen Jurusan Teknik Elektro-FTI, Univeristas Trisakti
Abstract
In order to understand the atmospheric or lightning surges it would be important to
understand the theory behind lightning.. This paper presents a review of literature of ball
lightning as a discharge phenomenon. It is assumed that ball lightning is produced and
sustained by the electric fields associated with charges from a lightning strike dispersing
along preferred conducting paths in the earth. The theory gives an explanation of the
formation, lifetime, energy sources and motion of a ball lightning.
Keywords: ball lightning, lightning strike, discharge phenomenon
1. Pendahuluan.
Banyak penelitian telah mengemukakan bahwa bola petir adalah
suatu bentuk pelepasan muatan listrik yang bervariasi dan berkelanjutan
dalam waktu microsecond. Meskipun banyak pengamatan yang berbeda di
dalam medan/ruang terjadinya bola petir, namun pada prinsipnya
kesemuanya itu bertujuan untuk memberikan suatu dasar pengertian yang
bisa dijadikan suatu perbandingan dalam menjelaskan proses terjadinya
bola petir. Dalam penjelasannya, persamaan-persamaan Poisson adalah
suatu metode pendekatan yang dapat memberikan suatu pemahaman dari
suatu persamaan elektron dan pergerakan ion dalam menjelaskan terjadinya
bola petir.
Proses terjadinya bola petir (Lowke, 2002: 2) biasanya dihasilkan
oleh sambaran petir lokal dan ini terlihat serupa dengan bola bercahaya
dengan diameter kira-kira 1-25 cm menyerupai seperti lampu pijar yang
berintensitas 20 Watt, berjarak sekitar 1m diatas tanah dan memiliki
pergerakan kecepatan sebesar 3 m/det, berdurasi selama kurang lebih 10
detik. Meskipun sudah banyak penelitian dan percobaan mengenai hal ini,
tetapi belum ada suatu penjelasan yang lengkap dan menyeluruh tentang
terjadinya bola petir. Hasil penelitian di dalam ruangan dan di pesawat,
menjumpai bahwa bola petir yang melintasi jendela kaca yang tertutup
tidak menyebabkan kerusakan sedikitpun pada kaca tersebut. Berbagai
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
pengamatan, produksi panas yang tergabung dalam bola petir tidak bisa
diamati (Uman, 1988: 10). Panas yang terdapat pada bola petir bisa
menghanguskan papan kayu (Keunen, 1998: 5). Terbentuknya ozone dan
nitrogenoksida sesudah bola petir terjadi, dapat mengakibatkan gangguan
pada transistor radio penerima.
Selain teori-teori yang telah dikemukakan di atas, ada pula
pengamatan yang dinyatakan sebagai “teori khayal”. Teori ini menerangkan
keadaan tetap dari bola petir yang bertahan lebih dari 10 detik.
Pada saat petir menyambar satu titik di permukaan bumi, beberapa
muatan yang umumnya negatif berpindah dari awan menuju bumi dengan
melalui busur petir. Muatan positif juga berpidah dari bumi ke awan dalam
waktu 1 mdet. Dalam hal ini, diasumsikan bahwa bumi adalah konduktor
yang terbaik untuk penyebaran muatan. Penyebaran muatan pada jarak yang
lebar dari sambaran petir yang ber-ion negatif (ion negatif ini memiliki
mobilitas yang lebih rendah) adalah pada air adalah 10 3 Cm2 / V / det ,
sementara itu penyebaran muatan pada jarak yang luas, yaitu dari suatu titik
tempat sambaran petir yang bergerak sepanjang jalur kawat pijar yang
berdekatan dengan permukaan bumi akan menghasilkan medan listrik diatas
bumi dan srterusnya menjadi sumber energi dan pergerakan bola petir.
2. Pergerakan Muatan di tanah.
Bola petir selalu terlihat pada saat setelah sambaran petir terjadi.
Kebanyakan sambaran petir memiliki panjang gelombang sebesar 35000
Angstrom pada arus puncaknya dengan durasi kurang lebih 1mdet.
Pergerakan muatan ditanah, terutama muatan negatif menyebabkan
terjadinya percikan api pada temperatur 20oC (Uman, 1987: 12). Pergerakan
muatan ditanah selain ditentukan oleh temperatur juga dipengeruhi oleh
jarak busur api yang terjadi (1 cm dari permukaan tanah) (Lowke, 2002: 8).
3. Pergerakan Muatan pada Periode Awal Kegagalan
Medan listrik E yang diperoleh dari sebuah muatan pada sebuah
bola yang radiusnya, R = 1 cm, suhu 20o C, E = 1013 kV/cm. Berdasarkan
persamaan Poisson, Et = q / [4(3.14)] o R2, terlihat bahwa kegagalan listrik
ketika terjadinya sambaran petir berjalan seperti kegagalan pada gas pada
proses pelepasan muatan pada kawat pijar. Selanjutnya, persamaan Poisson
dapat dimodifikasi seperti Persamaan (1) dimana diasumsikan bahwa
2
Syamsir Abduh, Bola Petir Sebagai Bentuk Pelepasan Muatan Listrik: Satu Kajian Teorikal
pelepasan muatan dianggap berbentuk bola. Maka dengan metode Davies et
al dapat ditentukan persamaan Ec seperti berikut (Davies, 1971: 54),
Ec
q
2 Rc2
1
Rc
L
1
Rs
L
(1)
dimana:
R = jarak
L = panjang (jauh) pergerakan muatan.
4. Pergerakan Muatan yang Jauh dari Petir.
Penyebaran muatan-muatan pada material seperti air, granit, batuan,
dimana terdapat perbedaan jarak dengan pergerakannya sepanjang
konduktor sehingga menyebabkan tidak adanya elektron yang bebas pada
konduktor pada saat muatan-muatan pada petir menghantam material yang
ada. Muatan listrik bumi akan lebih memilih untuk bergerak disepanjang
jalur yang resistansi listriknya rendah. Arah pergerakan muatan dapat
berubah jika terdapat perubahan pada orientasi dari jalur penghantar yang
dipengaruhi oleh mobilitas pembawa dan resistivitas mineral di bumi. Pada
saat menyentuh permukaan bumi, petir lebih cenderung untuk memilih
bagian yang konduktivitasnya tinggi.
Berdasarkan penjelasan diatas, maka kecepatan pergerakan dari
bola petir juga ditentukan oleh kecepatan muatannya di permukaan bumi.
Pada pada proses terjadinya bola api dari sambaran petir diketahui bahwa
mobilitas elektron yang mengisolasi medium memiliki lebar jarak sebesar
(Scmidt, 1994: 17):
Polimer
: 10 6 Cm2 / V / det
Air
: 1,8 x10 3 Cm 2 / V / det
Organik cair
: 0,1 Cm 2 / V / det .
Diketahui juga pada (Kittel, 1986: 11):
Tembaga
: 35Cm2 / V / det
Kristal
: 103 104 Cm 2 / V / det .
Penyebaran muatan dapat melalui ion, khususnya ion negatif yang
mobilitasnya diketahui sebesar 10-3 cm2 V-1 s-1 (Scmidt, 1994: 17).
3
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
Bola petir memiliki kecepatan 3 m/det merupakan medan yang
minimum untuk memungkinkan terjadinya pelepasan muatan pada tekanan
atmosfir di udara yang diperkirakan sebesar 5 kV/Cm (Phelps & Griffith
1976: 13).Pada waktu konstan maka:
(1/n e) n e/ t = -1/
dimana :
n e = ketergantungan waktu dari muatan.
Selanjutnya, diperoleh suatu persamaan kontinuitas elektron:
ne
t
.J
(2)
J didefinisikan sebagai rapat fluks, dengan menggunakan j = - n e E dan
persamaan poisson untuk E, maka
E = -ene / o. Dengan menggangap
bahwa ne, , dan
terletak pada posisi yang bebas, maka didapatkan
persamaan kontinuitas elektron, untuk = / ne e. Dengan menggunakan
harga-harga untuk keadaan pada air, dengan = 1,8 x 10-3 Cm2 / V / det ,
untuk konstanta dielektrik K = 80 dengan = K o, dan = 10 s, maka rapat
ruang muatan = 109 cm-3. Pada aplikasinya, turunan dari di lambangkan
sebagai
= / , dimana
= neq e dan
disebut sebagai waktu
pengenduran dielektrik (Mott & Davis, 1971: 7). Konduktivitas listrik
diperoleh dari penaksiran perbandingan terbalik terhadap resistivitas.
Prinsip perubahan dalam distribusi muatan listrik yang terhubung
dengan sambaran petir (Malan, 1998: 3), yaitu:
1. Pembangunan muatan listrik negatif di dalam pusat awan petir,
interaksi antara angin dan hujan yang jatuh dan tergabung di awan.
2. Perpindahan yang sangat cepat melalui hantaran yang sangat tinggi
pada sambaran petir, muatan positif berpindah dari bumi menuju awan
dan muatan negatif berpindah dari awan menuju ke bumi yang
selanjutnya akan menjauh untuk beberapa meter seperti gambar 1.
3. Penyebaran muatan elektron yang begitu banyak di sepanjang jalur
konduktivitas listrik tegangan tinggi di bumi akan memberi indikasi
bahwa pada udara, muatan listrik dengan intensitas yang tinggi akan
menyebabkan terjadinya pengumpulan medan yang lebih besar
(5 kV/Cm), dan selanjutnya akan mengakibatkan terjadinya bola petir.
4
Syamsir Abduh, Bola Petir Sebagai Bentuk Pelepasan Muatan Listrik: Satu Kajian Teorikal
(1) Charged Cloud
(2) Lightning Strike
(3) Ball Lightning
High field
Charge Motion
Gambar 1. Distribusi Muatan Listrik pada Saat Sambaran Petir
5. Pergerakan Muatan di Udara.
Seperti diketahui kegagalan medan listrik di udara adalah 30
kV/Cm pada keadaan plasma penghantar udara terbentuk, pada medan yang
5
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
lebih kecil dari 5 kV/Cm melalui proses ionisasi dan lepasnya ion negatif.
Medan ini dihasilkan dari muatan yang bersuhu 20 o C yang tersebar secara
simetris sejauh 600 m. pada waktu dan posisi medan listrik berada diatas
permukaan bumi 6 kV/Cm. Apabila medan tersebut tidak terpengaruh
dengan ruang muatan di udara maka besarnya akan menurun sesuai dengan
ketinggiannya (lihat Gambar 2). Dengan menggangap bahwa elektron
akan lebih cenderung bergerak menuju ke potensial yang lebih rendah,
maka jumlah kerapatan elektronnya juga akan naik seiring dengan
terjadinya ionisasi pada medan yang tinggi dan juga akan menurun seiring
dengan penggabungan molekul oksigen yang membentuk ion negatif pada
medan yang rendah. Selain itu kerapatan elektron juga akan menurun
dengan adanya rekombinasi ion positif dan distorsi pada medan listrik
dengan adanya pengaruh muatan ruang yang diakibatkan karena terpisahnya
muatan positif dan negatif pada medan listrik.
1 0 -1 -2 Electric Field
kV/cm
-3 -
40 s
-4 -
10 s
-5 -6 -7 0
5 s
2,5 s
t=0 s
0,5
1
1,5
Height (m)
Gambar 2. Gangguan Muatan Ruang pada Medan Listrik Vertikal
Gerak ruang pada suatu muatan (Morrow & Lowke, 2002: 12)
ditetapkan dengan persamaan kontinuitas elektron.
ne
t
6
t
( ne W) + ne W- ne W- nen+
(3)
Syamsir Abduh, Bola Petir Sebagai Bentuk Pelepasan Muatan Listrik: Satu Kajian Teorikal
n
t
n
t
(n+ W+) + neα W – γnen+ - γn_n+
(4)
(n_W_) + neη W – γn_n+
(5)
z
z
Dimana:
ne,
n+
n_,
We ,
W+
W_
: Koefisien ionisasi
: koefisien gabung
: koefisien rekombinasi
: kerapatan elektron
: kerapatan ion positif
: kerapatan ionnegatif.
: kecepatan aliran elektron
: kecepatan aliran ion positif
: kecepatan aliran ion negatif.
Pengaruh muatan ruang juga ditetapkan dengan persamaan poisson
sebagai berikut:
1
(Z2.E) = e/ε (n+ - ne – n_ )
.
2
z z
(6)
Persamaan Poisson ini menunjukkan bahwa koordinat bentuk bola
diukur dengan menggunakan variasi jarak medan listrik. Nilai
penggabungan koefisien ionisasi adalah fungsi E/N, dimana:
E/N di udara
N
1 Td
: 120 Td.
: jumlah kerapatan gas
: 1 Townsend atau 10-17 V cm2.
Medan kritis akan terjadi saat medan listrik berada pada 120 Td,
dan pada tekanan 1 bar-nya 30 kV/Cm. Namun demikian, pelepasan muatan
listrik dan ionisasi meningkat dengan adanya tahap proses ionisasi oleh
elektron dan kemungkinan terjadinya fotoeksitasi. Nilai dan sebagai
fungsi E/N, dan nilai medan kritis sebesar 5 kV/Cm, dengan = , harga
konvensional diambil dari arah aliran kecepatan sebagai fungsi dari E/N dan
7
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
juga untuk koefisien rekombinasi (Lowke, 2002:15), sedangkan nilai yang
dipergunakan untuk memperkirakan koefisien transportasi adalah:
: 1022 E/N cm/det.
: W/100 + = -W+ cm/ det.
: (E/N – 10-16)/200 cm2
W
W_
/N
untuk
E/N > 10-16 V cm2
dan
/N = 0 atau /N = 4X10-16 – (E/N) /1000 cm2
untuk
E/N < 4X10-16 V cm2
dan
/N = 0 atau = 2 X 10-7 cm3 /det
N = 2,5 X 10-19 cm-3.
Pada Gambar 2 dan 3 menunjukkan perhitungan medan listrik,
kerapatan elektron dan kerapatan ion positif yang didapat pada pemecahan
dari keempat persamaan diatas. Persamaan-persamaan diatas memberikan
perkiraan akan jumlah pelepasan muatan sebagai fungsi dari waktu dan
ketinggian.
Electron Density
/cc
1010 109 -
t = 2,5 s
5
108 - 0.5
10
107 -
40
106 0
0,5
1
1,5
Height; m
Gambar 3. Kerapatan Elektron Sebagai Fungsi Waktu
8
Syamsir Abduh, Bola Petir Sebagai Bentuk Pelepasan Muatan Listrik: Satu Kajian Teorikal
Penggunaan nilai E pada permukaan bumi dari tahap yang
sebelumnya, menjadikan persamaan poisson yang didapat dari integrasi dari
persamaan dengan mengambil kedalam perhitungan pada distribusi muatan
ruang. Faktor A/Z2 dimasukkan ke dalam persamaan dengan harga A sudah
ditentukan.
Solusi ini adalah tepat, karena A/Z2 adalah fungsi komplemen dari
persamaan yang solusinya adalah:
(1/Z2) (Z2.E)/ z = 0.
Dari Gambar 2, terlihat bahwa adanya distorsi (penyimpangan)
yang berarti pada medan listrik. Setelah 10 s terdapat ketinggian
maksimum dari permukaan bumi dari yang biasanya yaitu 1 m. Gambar 3,
Menunjukkan perkembangan getaran dari elektron yang menghabiskan
banyak waktu pada ketinggian tertentu diatas permukaan bumi. Awal
pergerakan elektron bergerak banyak pada saat proses ionsasi di medan
yang tinggi, akan tetapi setelah 10 s kerapatan elektronnya akan bergerak
menurun dengan cepat.
Medan listrik yang tinggi akan meyebabkan terpisahnya muatan
listrik negatif dan positif. Pada keadaan ini, struktur bola petir jelas dan
frekuensi dari kontak awal bergantung pada ukuran lubang pada keadaan
awal yang dipilih dalam perhitungan (apakah perhitungan menggunakan
satu atau dua dimensi) pada medan listrik. Kontak awal yang terjadi dan
proses pelepasan akan mengawali tahap-tahap dari getaran, yang mana akan
memperlihatkan kelanjutan tahap dari getaran arus.
Perhitungan yang tepat dan jelas dari getaran arus yang
berkelanjutan tidak memungkinkan untuk dilakukan karena terdapat empat
proses fisik, yang belum diketahui yaitu:
1. Waktu yang dibutuhkan untuk permulaan kontak sangat bergantung
pada kerapatan tinggal elektron yang dihasilkan dari proses rasiasi.
2. Kenaikan suhu dan getaran dari yang sebelumnya juga berpengaruh
pada koefisien ionisasi, karena kenaikan suhu menyebabkan
berkurangnya jumlah kerapatan gas.
3. Pengaruh muatan ruang juga dipengaruhi dari pergerakan muatan,
tepatnya pada medan yang kecil yang jauh dari permukaan bumi.
9
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
4. Keefektifan ionisasi dan penggabungan koefisien tergantung dari
kerapatan oksigen dan nitrogen.
6. Analisis
Berdasarkan uraian di atas diketahui bahwa bola petir dapat
dipandang sebagai cahaya yang pelepasannya mirip dengan korona. Pada
beberapa kejadian, bola petir diamati dan berakhir dengan bunyi yang keras,
sesuai dengan penyebaran kecepatan gas dengan bentuk yang cepat dari
busurnya.
Pelepasanya kemudian diakhiri dengan penyebaran yang cepat dari
muatan negatif melalui konduktor pada alur busur dan pergerakannya pada
medan listrik. Pergerakan dari bola petir ini mempertahankan pelepasan
muatan pada saat keadaan bercahaya.
Perkiraan menandakan bahwa pelepasan muatan akan mengawali
untuk tahap getaran yang cepat dengan periode sebesar 1 s. Oleh karena
elektron yang berasal dari pelepasan muatan memiliki energi yang cukup
untuk berionisasi di udara maka akan terjadi pula disosiasi (penguraian)
pada udara menjadi atom nitrogen dan oksigen dan menghasilkan ozone
serta nitrogen oksida.
Analisis kuantitatif komposisi gas sebagai fungsi dari waktu dari
sampel gas yang berasal dari sekitar bola petir menunjukkan pemusatan dari
ozone dan nitrogen oksida yang berkisar antara 1mg cm-3 yang terjadi
sebanyak 50 kali pada pemusatan normal.
Teori yang menjelaskan tentang bola yang melewati jendela kaca,
alur dari muatan listrik itu sendiri menjelaskan bahwa medan listrik yang
bergerak akan melintasi lintasannya lalu pelepasannya akan terbentuk
kembali pada sisi alur dalam waktu mikrodetik. Penjelasan yang ada pada
saat ini tentang bola petir diawali dengan adanya sambaran petir lalu
pergerakannya bermula dari titik dimana sambaran itu terjadi yang
dipengaruhi oleh konduktivitas listrik dan komposisi keadaan bawah tanah
yang dilalui oleh bola petir tersebut.
Selain itu adapula teori yang menyebutkan bahwa medan listrik
pada 5 kV/Cm (Morrow & Lowke, 2002: 6) atau lebih akan dapat
memungkinkan untuk terjadinya pelepasan muatan gas di udara.
10
Syamsir Abduh, Bola Petir Sebagai Bentuk Pelepasan Muatan Listrik: Satu Kajian Teorikal
Pengukuran medan listrik dilakukan dengan pergerakan pada medan yang
berada disekitar sambaran petir (Uman, 1987:19). Jarak medan tidak
teramati dalam waktu 1 detik, meskipun medan tersebut berada pada 2 kV
cm –1. Hal ini menunjukkan bahwa pada masa lalu medan tinggi tidak dapat
diamati karena terkait dengan keterbatasan pengamatan dan penyebaran
muatan dalam hubungannya dengan volume yang kecil pada bola yang
bercahaya yang dikelilingi oleh ion positif dan ion negatif. Ion ini bertindak
sebagai perisai pada medan listrik dan beberapa cm dari bola tersebut,
medan listrik akan menurun mendekati nol. Seperti pada kurva yang berada
di 40 s mendekati permukaan bumi (lihat Gambar 3). Telah disadari
bahwa pengaruh ruang muatan pada atmosfir memiliki pengaruh yang
berarti dalam pengurangan pengukuran medan listrik selama petir
berlangsung (Standler & Winn, 1979: 24).
7. Kesimpulan.
Bola petir dihasilkan dari proses penggabungan medan listrik dan
berbagai muatan listrik yang tersebar pada saat sambaran petir terjadi dan
bergerak di sepanjang alur konduktor di bumi. Perhitungan menunjukkan
adanya pengaruh muatan ruang yang memungkinkan terjadinya medan
listrik maksimum pada jarak yang dekat dengan permukaan bumi.
Hal ini dapat dibuktikan melalui empat fenomena, yaitu:
1. Durasi dan sumber energi pada bola petir.
2. Bola petir tidak mengalami kenaikan meskipun pelepasannya
menghasilkan panas.
3. Bola petir bergerak dengan tidak menentu dan berlawanan dengan arah
angin.
4. Hasil dari gas ozon dan gangguan pada radio selalu terdapat pada setiap
pengamatan bola petir.
Daftar Pustaka
1. Davies A J, et.al. 1971. Electrical Breakdown. Proc IEE R. SOC. 118
816-23.
2. Keunen, J. 1993. The Ball Lightning. Canberra Times 11 February.
3. Morrow & Lowke, J.J. 2002. The Theory of Ball Lightning. Journal of
Engineering Dielectric, Vol.I/2.
4. Mott, N.F. and Davies, E.A. 1971. Electronic Procosses in NonCrystalline Materials London:Oxford Universities Press.
11
JETri, Tahun Volume 2, Nomor 1, Agustus 2002, Halaman 1-12, ISSN 1412-0372
5. Phelps, C.T and Griffiths, R.F. 1976. Electrical Discharge in Air.
Journal of Appl. Phys 47 2929-34.
6. Schmidt, W.F. 1994. Electrical Insulating Liquids. Philadelphia PA:
ASTM.
7. Standler, R.B. and Winn, W.P. 1979. Dielectric Field. Q.J. Royal Met.
Soc. 105 285-302.
8. Uman, M.A. 1987. The Lightning Phenomenon. Journal of Geophys.
Res. 74 6899-910.
9. Uman, M.A. 1988. The Lightning Discharge. Journal of Atmos.
Terrest. Phys. 30 1245-6.
12