Petir adalah fenomena alam yang sangat indah pada musim hujan ditandai dengan adanya kilatan cahaya sesaat di langit serta diikuti suara menggelegar yang biasa disebut gemuruh. Perbedaan waktu munculnya kilat dan suara gemuruh disebabkan oleh perbedaan kecepatan cahaya dan suara Kecepatan petir atau kilat itu lebih cepat dibandingkan kecepatan suara yang biasa kita dengar. Kecepatan kilat itu sama dengan kecepatan cahaya pada udara yakni 3 x 10ˆ8 m/s. Sedangkan Kecepatan suara pada medium atau perantara udara adalah 340 m/s.
Dalam ilmu fisika, petir merupakan fenomena cahaya yang dihasilkan dari tenaga listrik alam yang terjadi antara awan-awan atau awan-tanah. Petir bisa kita analogikan sebagai kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap bermuatan netral). Kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang menyimpan energi sesaat (energy storage). Petir terjadi karena adanya perbedaan muatan potensial antara awan dan bumi atau dengan awan lainnya. Adanya muatan pada awan disebabkan karena partikel-partikel penyusun awan bergerak terus-menerus secara teratur sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), Sedangkan muatan positif akan berkumpul pada sisi yang lainnya. Apabila perbedaan potensial antara awan dan bumi atau awan dan awan cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan, media yang dilalui elektron adalah udara. Pada saat elektron dapat menembus ambang batas isolasi udara maka akan terjadi ledakan suara. Terdapat 2 teori yang mendasari petir :
Proses Ionisasi
Petir merupakan peristiwa alam yaitu proses pelepasan muatan listrik (electric discharge) yang berlangsung di atmosfer, hal ini disebabkan adanya penimbunan ion bebas negatif dan positif di awan, dihasilkan ion listrik oleh gesekan antar awan dan juga terjadinya ionisasi ini disebabkan oleh adanya perubahan bentuk air dari cair menjadi gas atau sebaliknya, bahkan padat (es) menjadi cair.Ion-ion bebas menutupi permukaan awan dan bergerak mengikuti angin bertiup, jika awan terkumpul di satu tempat, awan yang sarat ion akan memiliki potensi perbedaan yang cukup besar untuk dihantam.
Gesekan Antar Awan
Awalnya awan bergerak searah dengan angin, selama proses awan tersebut bergerak, mereka saling bergesekan, dari proses inilah lahir elektron bebas yang mengisi permukaan awan. Proses ini secara sederhana dapat disimulasikan pada penggaris plastik yang dioleskan pada rambut sehingga penggaris ini dapat menarik potongan kertas. Pada titik tertentu, awan ini akan berkumpul di suatu daerah, saat itulah petir dimungkinkan, karena elektron bebas ini saling menguatkan. Sehingga memiliki beda potensial yang cukup untuk menghantam permukaan bumi.
Seperti yang dikemukakan sebelumnya, jika medan listrik antara awan dan bumi melebihi kekuatan tembus udara maka akan terjadi pelepasan. Hal tersebut dapat dilihat dari rumus berikut:
Kuat medan listrik
Potensial Listrik
Beda potensial suatu muatan listrik pada suatu titik disekitar muatan dinyatakan sebagai potensial absolut atau disebut potensial listrik. Potensial listrik muatan listrik q pada jarak titik dari muatan dapat ditunjukkan sebagai berikut:
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa potensial listrik dapat dinyatakan dalam bentuk kuat medan listrik, yakni:
Dimana :
Q = muatan lidah petir (Coulumbs)
r = Jangkauan sambaran dari awan ke udara
k = konstanta
Semakin besar muatannya maka semakin besar beda potensial antara awan dan bumi, sehingga semakin besar medan listrik yang terjadi. Jika medan listrik yang ditimbulkan melebihi kuat medan tembus udara ketanah maka akan terjadi pelepasan muatan listrik (discharge) pada saat itulah terjadi kilat atau sambaran petir.
Hubungan antara besarnya arus petir dengan jarak sambar adalah semakin kecil arus petir yang terjadi (artinya jumlah muatan kecil) maka jarak jangkauan sambar juga pendek. Jika arus petir yang terjadi bernilai lebih besar (artinya jumlah muatan besar) maka jarak jangkauan sambar lebih jauh. Semakin besar muatannya maka semakin besar beda potensial antara awan dan bumi, sehingga semakin besar medan listrik yang terjadi.
Demikian artikel penjelasan tentang Fenomena Petir Menurut Ilmu Fisika Beserta Pendekatan Matematisnya pada kesempatan kali ini semoga bermanfaat bagi pembaca baik itu kalangan akademisi yang menggeluti bidang ilmu fisika maupun kalangan masyarakat umum untuk menambah wawasannya akan bidang ilmu lain.