APLIKASI PROSES TERJADINYA PETIR
MELALUI MINIATUR LIGHTNING PROCESS DEVICE* Evelina Astra Patriot **
ABSTRAK
Miniatur lightning process device ini menggunakan rangkaian raket nyamuk yang telah dimodifikasi dengan menambahkan sumber tegangan dan dihubungkan dengan tabung kecil yang terbuat dari kaca. Alat miniatur ini merupakan suatu alat miniatur yang dapat digunakan untuk melihat proses terjadinya petir melalui suatu kilatan yang muncul pada tabung kaca yang dihubungkan dengan sebuah sumber tegangan. Melalui input listrik berupa DC akan diubah menjadi AC yang pada akhirnya akan menghasilkan loncatan listrik / kilat seperti yang terdapat pada proses terjadinya petir.
Kata Kunci: lightning process device, kilat, AC, DC, tegangan.
PENDAHULUAN
Aktivitas manusia dalam kehidupan tidak lepas dari gejala atau fenomena alam. Disadari maupun tidak disadari dalam aktivitas manusia selalu berhadapan dengan fenomena alam. Kebanyakan manusia dalam melakukan aktivitasnya tidak memperhatikan gejala alam yang terjadi. Manusia memperhatikan hal-hal yang berkaitan dengan tujuan yang hendak dicapai. Pada fenomena alam terdapat fenomena fisis. Manusia kurang memperhatikan fenomena fisis yang terjadi dalam aktifitasnya kecuali fenomena fisis sesuai dengan tujuan kegiatan atau fenomena fisis itu langka bagi mereka. Fenomena fisis yaitu kejadian kejadian yang didalamnya terdapat variabel fisis. Variabel fisis disini memiliki makna yaitu variabel-variabel yang dapat dinyatakan secara kuantitatif atau dinyatakan dalam angka-angka.
Salah satu fenomena yang terdapat pada alam dan dapat kita temui adalah fenomena adanya petir. Fenomena ini merupakan suatu hal yang tidak asing, namun tidak menjadi tampak bagi kita bagaimana proses munculnya suatu petir. Hal yang dapat kita sadari bahwa petir adalah fenomena cuaca yang *) Disampaikan pada mata kuliah seminar fisika tanggal 17 September 2014
memiliki karakteristik tegangan yang tinggi, arus yang kuat, dan radiasi elektromagnetik yang tinggi (Qie Xiushu, etc., 2006)
Fisika sebagai ilmu yang mempunyai objek berupa benda – benda real jika disampaikan hanya dengan cara ceramah maka materi yang diterima iswa dapat dipahami sebagai kumpulan rumus – rumus atau konsep – konsep dan kurangnya pemahaman konsep fisika. Salah satu cara penyampaian materi fisika yang dapat menjembatani antara konsep fisika yang abstrak dengan keadaan fisis yang real adalah dengan menggunakan media. Untuk menghasilkan konsep fisika yang tepat, akurat, dan seketika salahsatunya dapat menggunakan alat peraga sebagai media pembelajaran fisika.
Berbagai peralatan yang berkembang saat ini karena adanya kemajuan teknologi berdasar pada ilmu fisika. Mulai dari peralatan dapur sampai peralatan industri menggunakan prinsip kerja yang ada di ilmu fisika. Ketika konsep fisika sudah diwujudkan dalam bentuk teknologi peralatan maka ilmu fisika baru berguna bagi manusia. Alat peraga sederhana yaitu lightning proccess device. Dengan adanya alat peraga ini diharapkan dapat menghasilkan konsep fisika. Selain itu, dapat menjembatani antara konsep fisis yang abstrak dengan keadaan fisis yang real.
Adapun tujuan dari pembuatan makalah ini adalah mengetahui cara pembuatan alat peraga sederhana yaitu lightning proccess device dan mengetahui bagaimana analisis konsep fisika pada proses terjadinya petir dan kilat. Manfaat yang diharapkan adalah dapat menjelaskan cara pembuatan alat peraga sederhana yaitu lightning proccess device dan dapat mengetahui konsep fisika pada proses terjadinya petir.
TINJAUAN PUSTAKA Definisi Petir
awan cumulonimbus (Cb). Awan cumulonimbus adalah awan yang terjadi sangat cepat akibat pemanasan tinggi di permukaan bumi. Pemanasan di permukaan bumi ini mendorong uap air naik ke atas dengan cepat. Oleh karena itu, ciri-ciri awan cumulonimbus adalah bentuknya yang menggumpal seperti kapas dan membubung tinggi di langit (Byers, 1997). Apabila dari kejauhan awan cumulonimbus penghasil petir mudah dikenali. Namun, apabila orang tepat berada di bawahnya dan` keberadaan awan ini agak sulit dideteksi suatu keadaaan jika tiba-tiba langit berubah menjadi gelap dan angin sedikit kencang berarti kita berada di bawah cumulonimbus. Jika sejak pagi sudah turun hujan, bisa dipastikan petir tidak akan muncul. Ini disebabkan kondisi permukaan bumi tidak cukup panas untuk membentuk awan petir (Hidayat, 2008).
Energi pelepasan petir itu begitu besar sehingga menimbulkan rentetan cahaya, panas, dan bunyi menggelegar yang disebut guntur atau halilintar. Guntur, atau halilintar ini dapat menghancurkan bangunan, membunuh manusia, dan memusnahkan pohon. Sedemikian besarnya energi petir itu sampai-sampai langit menjadi terang (Byers, 1997).
Proses Terjadinya Petir
Teori yang secara luas dapat diterima tentang petir yaitu bahwa awan terdiri dari daerah bermuatan positif dan negatif. Pusat-pusat muatan ini menginduksikan muatan berpolaritas berlawanan ke awan terdekat atau ke bumi. Gradien potensial di udara antara pusat-pusat muatan di awan atau antara awan dan bumi tidak seragam tapi gradient tersebut timbul pada bagian konsentrasi muatan tinggi. Ketika gradient tegangan tinggi pada titik konsentrasi muatan dari awan melebihi harga tembus udara yang terionisasi, maka udara di daerah konsentrasi tekanan tinggi mengionisasi atau tembus (breakdown).
Gambar 1. Muatan sepanjang pinggir awan menginduksikan muatan lawan pada bumi
Kemudian akan timbul lidah petir arah bawah menyebar dari awan ke bumi seperti terlihat pada gambar 2.
Gambar 2. Lidah petir menjalar ke arah bumi
Begitu lidah petir mendekati bumi, sambaran kearah atas terbentuk, biasanya dari titik tertinggi disekitarnya. Bila lidah petir kearah atas dan kearah bawah bertemu seperti terlihat pada gambar 3, suatu hubungan awan ke bumi terbentuk dan energi muatan awan dilepaskan ke dalam tanah.
Muatan-muatan dapat terinduksi ke jaringan listrik yang ada disekitar sambaran petir ke tanah. Walaupun muatan awan dan bumi dinetralisir seperti terlihat pada gambar 4.
Gambar 4. Kumpulan muatan pada saluran distribusi
Secara fisika, petir merupakan gejala alam yang bisa kita analogikan dengan sebuah kapasitor raksasa, dimana lempeng pertama adalah awan (bisa lempeng negatif atau lempeng positif) dan lempeng kedua adalah bumi (dianggap netral). Seperti kita ketahui, kapasitor adalah sebuah komponen pasif pada rangkaian listrik yang bisa menyimpan energi sesaat (energy storage).
Petir juga dapat terjadi dari awan ke awan (intercloud), dimana salah satu awan bermuatan negatif dan awan lainnya bermuatan positif. Petir terjadi karena ada perbedaan potensial antara awan dan bumi atau dengan awan lainnya. Proses terjadinya muatan pada awan yaitu karena partikel-partikel penyusun awan bergerak terus menerus secara teratur, dan selama pergerakannya dia akan berinteraksi dengan awan lainnya sehingga muatan negatif akan berkumpul pada salah satu sisi (atas atau bawah), sedangkan muatan positif berkumpul pada sisi sebaliknya. Jika perbedaan potensial antara awan dan bumi cukup besar, maka akan terjadi pembuangan muatan negatif (elektron) dari awan ke bumi atau sebaliknya untuk mencapai kesetimbangan.
negatif dan awan bermuatan positif, maka petir juga bisa terjadi antar awan yang berbeda muatan. Sedangkan terjadinya sendiri secara lebih detail disebabkan oleh 2 teori, yaitu Ionisasi dan gesekan antar awan.
a. Proses Ionisasi
Petir terjadi diakibatkan terkumpulnya ion bebas bermuatan negatif dan positif di awan, ion listrik dihasilkan oleh gesekan antar awan dan juga kejadian Ionisasi ini disebabkan oleh perubahan bentuk air mulai dari cair menjadi gas atau sebaliknya, bahkan padat (es) menjadi cair. Ion bebas menempati permukaan awan dan bergerak mengikuti angin yang berhembus, bila awan-awan terkumpul di suatu tempat maka awan-awan bermuatan akan memiliki beda potensial yang cukup untuk menyambar permukaan bumi maka inilah yang disebut petir.
b. Gesekan antar awan
Pada awalnya awan bergerak mengikuti arah angin, selama proses bergeraknya awan ini maka saling bergesekan satu dengan yang lainya, dari proses ini terlahir elektron-elektron bebas yang memenuhi permukaan awan. proses ini bisa digambarkan secara sederhana pada sebuah penggaris plastik yang digosokkan pada rambut maka penggaris ini akan mampu menarik potongan kertas. Pada suatu saat awan ini akan terkumpul di sebuah kawasan, saat inilah petir dimungkinkan terjadi karena elektron-elektron bebas ini saling menguatkan satu dengan lainnya. Sehingga memiliki cukup beda potensial untuk menyambar permukaan bumi.
Terbentuknya petir (Viemeister, 1992) adalah sebagai berikut (Gambar ): 1. Pemisahan muatan positif dan negatif dalam awan atau udara.
2. Bintik hujan atau es terpolarisasi melalui medan listrik di atmosfir.
3. Kristal positif naik sehingga puncak awan bermuatan positif, yang bermuatan negatif dan batu es berkumpul di lapisan tengah dan bawah awan sehingga membentuk muatan negatif.
Rangkaian miniatur Lightning Process Device
Miniatur lightning process device merupakan suatu alat rangkaian sederhana dari raket nyamuk yang dimodifikasi dan dapat digunakan sebagai media pembelajaran untuk rangkaian sederhana dan melihat proses terjadinya petir. Konsep fisika yang terdapat dalam rangkaian adalah pada rangkaian tersebut terdapat arus litrik karena dengan mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak – balik serta memperbesar tegangan listrik. Arus searah ini diubah melalui sebuah inverter yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan AC dari tegangan DC yang senilai 6 volt. Kilat seperti pada proses terjadinya petir digunakan sekring kecil sebagai media untuk melihat bagaimana proses terjadinya petir.
PERANCANGAN A. Alat dan bahan
1. Solder 2. Gergaji 3. Mistar
4. Papan berukuran 28 x 20 cm (1 buah)
5. Kaleng bekas (1 buah)
6. Dudukan kaleng (1 buah)
a. PCB (Papan rangkaian) (1 buah) b. Kapasitor CS472 M (1 buah) c. Lilitan (transformer) (1 buah) d. Resistor 5,6 KΩ (1 buah)
e. Resistor 220 Ω (1 buah)
f. Transistor (1 buah)
13. Switch / saklar tekan (1 buah) 14. Kabel multi
B. Rangkaian alat
Gambar 6. Rangkaian Alat Miniatur Process Lightning Device
a. Langkah-Langkah Persiapan Pembuatan Alat A. Persiapan alat
1. Siapkan semua bahan sesuai dengan daftar alat dan bahan yang diperlukan
2. Potonglah kayu dengan ukuran 28 x 20 cm
3. Lapisi kayu dengan pelapis urat kayu hingga kayu tertutup dengan rapi. Dudukan kayu siap digunakan.
5. Buat lubang pada kedua sisi tabung yang telah diberi tutup, dengan tujuan untuk menempatkan selang kecil dan kedua ujung kabel. B. Rangkaian listrik pada Lightning Process Device
1. Siapkan tabung reaksi ukuran kecil, rangkaian listrik pada raket nyamuk yang sudah dikeluarkan, saklar tekan, dan dudukan baterai. 2. Hubungkan kepala dudukan baterai yang (+) dengan saklar
menggunakan solder.
3. Lalu solder bagian kepala dudukan baterai dengan bagian lilitan C. Pemasangan susunan rangkaian miniatur lightning process device
1. Susun dudukan baterai, rangkaian listrik, saklar tekan, dan sekring yang tidak digunakan lagi seperti gambar dibawah ini.
Gambar 7. Alat Miniatur Lightning Process Device
2. Lalu rekatkan dudukan baterai dan saklar tekan pada papan dengan menggunakan lem
3. Lalu hubungkan saklar dengan kedua ujung kabel yang akan digunakan sebagai penghantar listrik untuk petir
4. Masukkan kedua ujung kabel tersebut dengan kedua ujung tabung yang telah dilubangi
PENGUJIAN ALAT
1. Letakkan baterai 1,5 volt sebanyak 4 buah pada dudukan baterai 2. Panaskan air pada kompor kecil yang telah disiapkan.
3. Masukkan ujung selang pada tutup kaleng yang telah di lubangi. Tunggu hingga air menjadi mendidih dan menghasilkan uap.
4. Apabila uap telah memenuhi tabung tersebut, tekan saklar (ON) 5. Saklar berfungsi akan terlihat pada LED yang berwarna merah
6. Pada tabung akan terlihat kilatan cahaya yang cepat terjadi berulangkali
Gambar 8. Kilatan Cahaya Dalam Tabung Kaca
PEMBAHASAN
Alat miniatur lightning proccess device merupakan alat miniatur yang menerapkan prinsip kerja petir. Alat ini menggunakan rangkaian pada raket nyamuk. Pada rangkaian tersebut terdapat arus litrik karena dengan mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak – balik serta memperbesar tegangan listrik. Arus searah ini diubah melalui sebuah inverter yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan AC dari tegangan DC yang senilai 6 volt.
telah dipanaskan. Selan itu, pada kedua ujung tabung ini telah di letakkan kedua ujung kabel untuk menghasilkan sambaran listrik atau dapat dianalogikan sebagai kilat / sambaran petir. Uap yang dihasilkan dari air tesebut merupakan suatu media penghantar untuk memudahkan agar sambaran tersebut sampai pada ujung kabel yang lainnya. Karena faktanya bahwa pada saat musim penghujan, udara mengandung lebih banyak kadar air yang tinggi, yang mengakibatkan daya isolasi udara turun dan arus lebih gampang melewati. (Wasis, 2008)
Apabila alat ini dianalogikan dengan petir bahwa partikel – partikel kecil didalam sebuah awan saling berbenturan satu sama lain. Muatan – muatan berkumpul dan bertambah sedemikian rupa sehingga terjadi gaya tarik – menarik yang sangat kuat antara elektron – elektron dengan muatan – muatan positif terdekat. Kilat atau sambaran petir timbul sebagai akibat elektron – elektron yang bergerak melintasi celah pemisah antara bagian bermuatan positif dengan bagian bermuatan negatif. Apabila perbedaan potensial diantara awan dan bumi besar, akan mengakibatkan terjadinya pembuangan muatan negatif atau disebut elektron. Fungsi alat/komponen elektronik pada rangkaian
1. Kapasitor CS472M
Kapasitor yang digunakan adalah jenis kapasitor tetap yang mempunyai kapasitas tetap dalam menyimpan elektron (tenaga listrik)
2. Lilitan (trafo)
Merupakan suatu alat yang dipergunakan untuk mengubah tegangan listrik yang tinggi menjadi tegangan listrik yang rendah/sebaliknya
3. Resistor
a. Menahan sebagian arus listrik agar sesuai dengan kebutuhan suatu rangkaian elektronika
b. Menurunkan tegangan sesuai dengan yang dibutuhkan oleh rangkaian elektronika
4. Transistor merupakan salah satu semikonduktor yang dapat dipergunakan untuk perataan arus, menahan sebagian arus, menguatkan arus, membangkitkan frekuensi rendah maupun tinggi
KESIMPULAN
Miniatur lightning process device merupakan suatu alat rangkaian sederhana dari raket nyamuk yang dimodifikasi dan dapat digunakan sebagai media pembelajaran untuk rangkaian sederhana dan melihat proses terjadinya petir. Konsep fisika yang terdapat dalam rangkaian adalah pada rangkaian tersebut terdapat arus litrik karena dengan mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak – balik serta memperbesar tegangan listrik. Selain itu, aplikasi dalam alat ini menunjukkan bahwa prinsip penggunaan uap pada alat ini menyatakan bahwa petir membutuhkan medium untuk menghantarkan sambaran petir atau kilatnya. SARAN
Penulis berharap miniatur lightning proccess device ini dapat dimanfaatkan sesuai fungsinya menjadi sebuah media pembelajaran untuk rangkaian sederhana bahkan untuk mempelajari proses terjadinya petir dan seiring perkembangan, penulis juga berharap agar pembuatan alat miniatur ini dapat lebih disempurnakan dan dapat dibuat dalam bentuk digitalnya.
DAFTAR PUSTAKA
Bishop, Owen. 2002. Dasar – dasar Elektronika. Jakarta : Erlangga
Dr. Muhammad Nur, DEA. 2011. Fisika Plasma Dan Aplikasinya. Semarang : Universitas Diponegoro Semarang
J.A Stanley. 2003. Pengenalan Elektronika Untuk Pemula. Bandung : Pionir Jaya Qie Xiushu, dkk. 2006. Characteristics of Lightning Discharges and Electric
Structure of Thunderstorm. (Supported jointly by the State Natural Science Foundation of China under Grant Nos. 40135010, 40325013, and 49975003.)
Rakov,Vladimir A.. 2012. Lightning Discharge and Fundamentals of Lightning Protection. Journal of Lightning Research, 2012, 4, (Suppl 1: M2) 3-11
EMTP (Studi Kasus Penyulang 1 Gardu Induk Mojosongo Boyolali). Universitas Diponegoro Semarang : Fakultas Teknik.
Sumisjokartono.1991.Elektronika Praktis Cetakan Kelima. Jakarta : Kelompok Gramedia
