Pengaruh Ukuran Butiran Air Hujan Terhadap Tegangan Tembus Udara

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 TEORI KEGAGALAN ISOLASI

Suatu peralatan listrik jika mengalami kegagalan pengisolasian maka akan

mengakibatkan percikan (sparkover) atau lompatan listrik (flashover) yang sudah

menandakan terjadinya tembus listrik. Terjadinya tembus listrik berhubungan dengan

peristiwa ionisasi, deionisasi dan emisi. Berikut ini akan dijelaskan secara singkat tentang

peristiwa ketiga tersebut.

2.1.1 Proses Ionisasi

Ionisasi adalah proses munculnya ion disekitar elektroda karena meningkatnya

tegangan yang diterapkan. Tegangan yang menyebabkan elektron keluar untuk pertama

kalinya disebut tegangan insepsi. Udara ideal adalah gas yang hanya terdiri dari

molekul-molekul netral, sehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik. Tetapi dalam

kenyataannya, udara yang sesungguhnya tidak hanya terdiri dari molekul-molekul netral

saja tetapi ada sebagian kecil dari padanya berupa ion-ion dan elektron-elektron bebas,

yang akan mengakibatkan udara dan gas mengalirkan arus walaupun terbatas. Kegagalan

listrik yang terjadi di udara atau gas pertama-tama tergantung dari jumlah elektron bebas

yang ada di udara atau gas tersebut. Konsentrasi elektron bebas ini dalam keadaan normal

sangat kecil dan ditentukan oleh pengaruh radioaktif dari luar. Pengaruh ini dapat berupa

radiasi ultra violet dari sinar matahari, radiasi radioaktif dari bumi, radiasi sinar kosmis

dari angkasa luar dan sebagainya, yang kesemuanya dapat menyebabkan udara

terionisasi. Jika diantara elektroda diterapkan suatu tegangan V, maka akan timbul suatu

medan listrik E yang mempunyai besar dan arah tertentu. Di dalam medan listrik,

elektron-elektron bebas akan mendapat energi yang cukup kuat, sehingga dapat

a. Suatu Elektron Bebas Membentur Elektron Terikat

b. Elektron Terikat Keluar Dari Lintasannya Menjadi Elektron Bebas

Gambar 2.1. (a dan b) Proses Ionisasi

Dari gambar (a) pada Gambar 2.1 memperlihatkan suatu elektron bebas

membentur elektron terikat pada muatan netral di udara, sehingga elektron yang terikat

kuat tadi keluar dari lintasannya menjadi elektron bebas, seperti yang diperlihatkan

gambar (b) pada Gambar 2.1.

Kegagalan listrik yang terjadi di udara tergantung dari jumlah elektron bebas yang

ada di udara. Penyebab tembus antara lain tekanan, temperatur, kelembaban, konfigurasi

medan, tegangan yang diterapkan, material elektroda, kondisi permukaan elektroda. Ada

beberapa cara pembangkitan ion antara lain :

a. Ionisasi benturan (collision) elektron,

b. ionisasi thermal,

c. fotoionisasi dan

a. Ionisasi Benturan (collision) elektron

Elektron bebas yang tidak berada dalam medan listrik tinggi, akan diikat oleh

suatu molekul netral dan membentuk ion negatif. Bila elektron bebas berada di antara dua

plat sejajar yang diberi tegangan searah sehingga timbul medan listrik E di antara kedua plat maka elektron akan mengalami gaya dan bergerak menuju anoda seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.2

Gambar 2.2 Ionisasi Benturan (collision) Elektron

b. Ionisasi thermal

Ketika gas dipanaskan hingga mencapai temperatur tinggi, molekul-molekul gas

akan mendapatkan energi kinetik yang besar sehingga molekul tersebut bersirkulasi

dengan kecepatan tinggi dan menyebabkan terjadinya benturan antar molekul. Bila energi

kinetik pada molekul tersebut cukup besar, maka dapat membuat terlepasnya elektron

dari ikatan atomnya. Elektron yang terlepas dan molekul lain yang memiliki energi

kinetik cukup besar akan saling berbenturan dan melepaskan lebih banyak elektron bebas.

c. Fotoionisasi

Ionisasi ini akibat radiasi atau foton mempengaruhi interaksi radiasi dalam

partikel. Fotoionisasi terjadi bila energi radiasi yang diserap oleh molekul melebihi energi

ionisasinya dan dapat dituliskan sebagai berikut:

Di mana :

A : Atom atau mokelul netral dalam gas

hv : Energi foton

e : Elektron yang terlepas

d. Ionisasi Radiasi Sinar Kosmis

Sinar kosmik adalah radiasi dari partikel bermuatan berenergi tinggi yang berasal

dari luar atmosfer bumi. Sinar kosmik dapat berupa elektron, proton dan bahkan inti atom

seperti besi atau yang lebih berat lagi. Partikel-partikel ini secara terus menerus

membombardir bumi. Karena memiliki energi yang besar, benturan partikel ini dengan

molekul netral dapat menyebabkan terlepasnya elektron dari molekul netralnya.

2.1.2 De–ionisasi

Jika suatu elektron bebas bergabung dengan suatu ion positif, akan dihasilkan

suatu molekul netral. Peristiwa penggabungan ini disebut deionisasi. Proses de-ionisasi

adalah kebalikan dari proses ionisasi. Proses ini terdiri dari kehilangan elektron dengan

cara rekombinasi, penggabungan (attachment) elektron dan difusi. Deionisasi akan

mengurangi pertikel bermuatan dalam suatu gas. Jika pada suatu gas terjadi aktivitas

deionisasi yang lebih besar dari pada aktivitas ionisasi, maka muatan–muatan bebas

didalam gas itu akan berkurang.

2.1.3 Emisi

Emisi adalah peristiwa pelepasan elektron dari permukaan suatu logam menjadi

elektron bebas didalam gas. Dalam keadaan normal, elektron tidak dapat terlepas dari

permukaan logam karena adanya gaya elektrostatik antara elektron dengan ion dalam kisi

logam. Supaya elektron ini dapat keluar dari permukaan logam, diperlukan sejumlah energi

luar. Besarnya energi ini didefinisikan sebagai fungsi kerja (work function) dengan satuan

Gambar 2.3 Proses Terjadinya Emisi

Seperti pada Gambar 2.3 memperlihatkan bahwa suatu elektron bebas terlepas

dari permukaan suatu logam yang diakibatkan proses emisi yang terjadi pada logam

tersebut.

Ada empat proses yang menyebabkan terjadinya emisi, yaitu:

a. Emisi fotoelektrik

b. Emisi benturan ion positif

c. Emisi medan tinggi

d. Emisi Thermis

a. Emisi Fotoelektrik

Cahaya yang menghasilkan energi foton akan membentur logam yang memiliki

banyak elektron karena logam termasuk bahan yang konduktif. Ketika energi foton

lebih besar dari energi ikat elektron maka elektron akan terlepas dari permukaan

Gambar 2.4 Emisi Fotoelektrik

b. Emisi Benturan Ion Positif

Massa ion positif lebih besar daripada masa elektron bebas dan ion positif

membentur ion negatif pada logam. Karena energi kinetis ion positif lebih besar dari

energi ikat elektron logam maka elektron akan terlepas dari permukaan logam. Untuk

lebih jelasnya dapat kita lihat pada Gambar 2.5 sebagai berikut :

c. Emisi Medan Tinggi

Permukaan suatu logam tidak semuanya mulus, tetapi selalu ada titik-titik yang

runcing. Jika logam tersebut dikenai medan elektrik seperti yang ditunjukkan pada

Gambar 2.6 berikut ini:

Gambar 2.6 Emisi Medan Tinggi

Maka elektron yang terdapat permukaan logam katoda (K) akan mengalami gaya

yang arahnya menuju anoda (A). Elektron pada ujung runcing akan mengalami gaya

yang lebih besar karena intensitas medan elektrik di titik tersebut relatif lebih besar

dibandingkan dengan intensitas medan elektrik di bagian yang datar. Jika intensitas

medan elektrik cukup besar, maka dari titik runcing tersebut akan dilepaskan elektron

bebas. Pelepasan elektron ini yang disebut emisi bintik katoda.

d. Emisi Thermis

Emisi ini terjadi karena logam dipanaskan. Energi panas yang diterima oleh

logam menyebabkan elektron bebas di dalam logam memiliki energi kinetik lebih

besar. Bila energi kinetik elektron lebih besar dari gaya elektrostatik logam, maka

elektron tersebut keluar dari permukaannya dan menjadi elektron bebas pada udara di

sekitar permukaan logam tersebut.

Gambar 2.7 Emisi Thermis

2.2 MEKANISME TEGANGAN TEMBUS UDARA

Mekanisme kegagalan dalam gas yang disebut dengan percikan. Sifat mendasar dari

kegagalan percikan ini adalah tegangan pada sela antar elektroda akan turun karena

adanya proses yang menghasilkan konduktivitas tinggi antara anoda dan katoda.

Ada 2 jenis mekanisme dasar yang berperan :

 Mekanisme primer, yang memungkinkan terjadinya banjiran (avalanche)

elektron

 Mekanisme sekunder, yang memungkinkan terjadinya peningkatan banjiran

elektron.

Pada mekanisme primer, proses yang terpenting adalah proses katoda. Dalam hal ini

katoda akan melepaskan (discharge) elektron yang akan mengawali terjadinya suatu

spark breakdown. Adapun fungsi katoda adalah :

 Menyediakan elektron awal yang harus dilepaskan

 Mempertahankan discharge

Pada proses katoda, elekron awal akan dibebaskan sebagian dengan perantara

pengionan luar yang akan memulai terjadinya banjiran elektron dari permukaan katoda.

Elektron–elektron itu kemudian akan dipercepat oleh medan listrik menuju anoda. Di

didalam medan listrik yang cukup kuat, dalam pergerakannya menuju anoda elektron –

elektron tersebut akan membentur molekul – molekul gas dan menghasilkan elektron.

Sedangkan ion positif akan bergerak ke katoda, tetapi karena mempunyai masa yang

lebih besar dari massa elektron, maka pergerakannya lebih lambat daripada elektron.

Pada mekanisme sekunder, proses yang terpenting adalah emisi elektron karena

benturan ion positif. Jika ion positif ditembakkan ke permukaan katoda, maka akan

dibebaskan elektron ke luar permukaan katoda. Kemungkinan bahwa benturan ion positif

pada permukaan katoda akan membebaskan elektroda tergantung dari jenis bahan katoda

dan energi ion positif yang menumbuk katoda.

Ada 2 teori mekanisme tembus listrik pada udara, yaitu mekanisme Townsend dan

mekanisme Streamer. Mekanisme Townsend hanya berlaku pada medan listrik

seragam/homogen, sedangkan mekanisme Streamer berlaku pada medan listrik homogen

maupun tidak homogen. Pada tugas akhir ini akan dibahas mekanisme townsend dan

streamer, karena kedua mekanisme tersebut berlaku dalam penelitian ini.

2.2.1 Mekanisme Townsend

Metoda ini digunakan untuk di daerah yang mempunyai tekanan rendah dan jarak

sela antara kedua plat sejajar yang sempit, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.8..

Oleh karena itu, akan diuraikan mekanisme tembus listrik townsend yaitu sebagai berikut

Gambar 2.8 Elektron – Elektron Bebas di Udara

Dari Gambar 2.8 dapat dijelaskan bahwa didalam Udara terdapat elektron bebas

yang disebabkan karena peristiwa ionisasi foton radiasi sinar ultraviolet dan juga terdapat

molekul-molekul netral. Apabila kedua elektroda dihubungkan dengan sumber tegangan,

maka timbul medan listrik (E) yang arahnya dari anoda ke katoda. Akibat adanya medan

listrik, maka ea (elektron bebas) akan mengalami gaya (F) yang arahnya berlawanan

dengan arah medan listrik (E). Karena adanya gaya (F) maka ea bergerak dari katoda ke

anoda. Dalam perjalanan menuju anoda, elektron bebas membentur atom netral. Jika

Energi kinetis elektron awal lebih besar dari energi ikat elektron molekul netral maka

akan terjadi ionisasi. Ionisasi benturan menghasilkan satu elektron bebas baru (eb) dan

satu ion positif. Jadi, ea dan eb terus bergerak menuju anoda. Dalam perjalanannya

menuju anoda ea dan eb membentur lagi atom netral sehingga terjadi lagi ionisasi

sehingga jumlah elektron bebas dan ion positif semakin banyak. Ion positif bergerak

menuju katoda dan terjadilah benturan ion positif dengan dinding katoda sehingga timbul

emisi benturan ion positif. Dari permukaan katoda muncul elektron-elektron baru hasil

emisi ion positif membentur lagi atom netral sehingga terjadi lagi ionisasi sehingga

jumlah elektron bebas dan ion positif semakin banyak. Selama medan listrik masih ada

maka proses ionisasi benturan dan emisi ion positif akan terus berlangsung sehingga

terjadilah banjiran elektron dan ion positif. Ion positif yang membentur katoda semakin

banyak sehingga elektron hasil emisi ion positif semakin banyak yang menyebabkan

banjiran muatan. Muatan yang berpindah dari katoda ke anoda semakin besar yang

dimana perpindahan muatan sebanding dengan arus dan dalam selang waktu tertentu

pun semakin besar yang kemudian terjadilah tembus listrik. Dan dapat kita lihat pada

Gambar 2.9 .

Gambar 2.9 Banjiran Elektron yang Menyebabkan Tembus Listrik

2.2.2. Mekanisme Streamer

Mekanisme Streamer berlaku pada medan listrik homogen maupun tidak

homogen. Udara yang berada di antara dua plat sejajar yang diberi tegangan, akan

mengalami terpaan medan listrik sebesar E0 yang homogen, seperti yang terlihat pada

Gambar 2.10. Elektron bebas di udara yang dihasilkan dari proses ionisasi radiasi sinar

kosmis atau fotoionisasi akan mengalami gaya yang arahnya menuju anoda. Dalam

perjalanannya, elektron ini akan menyebabkan proses ionisasi benturan sehingga

terbentuk suatu muatan ruang. Karena adanya muatan ruang pada celah, maka medan

listrik pada celah kedua plat berbeda pada setiap bagian pada celah, seperti yang dapat

Gambar 2.10 Medan pada Celah Karena Adanya Muatan Ruang[4]

Ada dua jenis streamer :

a. Positif, atau streamer yang mengarah ke katoda b. Negatif, atau streamer yang menuju ke anoda

a. Streamer Positif

Karena massa elektron yang lebih ringan daripada ion positif, maka pergerakan

elektron lebih cepat daripada ion positif. Saat elektron bebas sudah mencapai anoda

dan masuk ke dalam anoda, ion positif dapat dianggap masih dalam posisi semulanya.

Ion positif yang tertinggal ini membentuk muatan ruang seperti kerucut dengan

muatan yang terkonsentrasi pada bagian depan kerucut (kawasan P dan Q) dekat anoda sehingga medan listrik di sekitarnya lebih besar dibandingkan dengan bagian

Gambar 2.11 Ion Positif Masih Berada pada Posisinya Saat Elektron Telah Masuk ke Dalam Anoda[11]

Kemudian elektron bebas baru terbentuk dari proses fotoionisasi dan bergerak ke

daerah P dan Q. Selama perjalanan, elektron ini akan membentur molekul netral dan membentuk suatu banjiran muatan sekunder, seperti yang dapat dilihat pada Gambar

2.12.

Gambar 2.12 Terbentuk Banjiran Muatan Sekunder dari Elektron Bebas Baru[11]

bebas dan ion positif, medan listrik pada plasma lebih rendah daripada medan listrik

E0. Bagian depan kerucut memendek karena terbentuknya plasma tersebut, tetapi

medan listrik di sekitarnya masih tinggi. Proses pembentukan banjiran muatan

sekunder terjadi lagi di sekitar bagian depan kerucut dan banjiran elektronnya

bergerak menuju bagian depan kerucut lagi dan membentuk plasma sehingga plasma

memanjang, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Ion Positif dan Elektron Membentuk Plasma dan Banjiran Muatan Sekunder Lain Terbentuk[11]

Proses ini akan terus berlangsung sampai plasma mencapai katoda. Saat plasma

ini menghubungkan anoda dan katoda, peristiwa lewat denyar terjadi. Mekanisme ini

disebut mekanisme Streamer positif karena plasma memanjang dari anoda ke katoda.

b. Streamer Negatif

Pada mekanisme Streamer negatif ini, plasma berawal dari katoda dan

memanjang sampai anoda. Saat elektron bebas awal berada dekat dengan katoda dan

banjiran muatan terjadi dekat dengan katoda. Banjiran elektron ini menyebabkan

medan listrik E1 di daerah R menjadi lebih besar daripada medan listrik E0

Gambar 2.14 Medan Listrik pada Daerah R Berubah Karena Muatan pada Celah[11]

Kemudian elektron bebas dari proses fotoionisasi yang berada pada daerah tersebut akan bergerak lebih cepat dan membentuk suatu banjiran muatan sekunder, ditunjukkan dalam Gambar 2.15.

Gambar 2.15 Terbentuknya Banjiran Muatan Sekunder pada Daerah R[11]

Gambar 2.16 Terbentuknya Plasma dan Proses Plasma Memanjang[11]

2.3 FAKTOR YANG MEMPENGARUHI TEGANGAN TEMBUS UDARA

Sifat listrik udara dipengaruhi oleh lingkungan sekitar, sehingga nilai tegangan tembus udara juga akan berubah sesuai kondisi lingkungan sekitar udara. Berikut ini faktor – faktor yang mempengaruhi tegangan tembus udara :

a. Temperatur udara

Pada media dielektrik udara peningkatan temperatur udara akan mempengaruhi

pertambahan energi yang dapat mempercepat pergerakan elektron-elektron di udara,

selain itu temperatur yang tinggi akan meningkatkan jumlah proses ionisasi thermis dan

emisi thermis yang akan berakibat pada penurunan kekuatan dielektrik udara.

b. Tekanan udara

Bila tekanan udara besar, jumlah molekul di dalam udara semakin banyak yang

berarti proses ionisasi dapat terjadi lebih banyak. Tetapi bila tekanan terlalu tinggi,

gerakan muatan dari proses ionisasi akan terhambat sehingga proses ionisasi berikutnya

akan berkurang. Bila tekanan udara terlalu rendah, jumlah molekul yang sedikit akan

c. Kelembaban udara[11][12]

Kelembaban didefinisikan sebagai besarnya kandungan uap air dalam udara.

Rasio kelembaban (ω) adalah berat atau massa air yang terkandung dalam setiap kilogram udara kering.

ω = 0,622 ………(2.2)

Dimana :

ω = rasio kelembaban (kg uap air /kg udara kering)

Pt = tekanan atmosfer (kPa)

Ps = tekanan parsial uap air dalam keadaan jenuh (kPa)

Bila kelembaban tinggi, kandungan air dalam udara meningkat sehingga mudah

terjadi ionisasi karena air memiliki energi ikat yang lebih rendah dari kandungan lain

dalam udara. Energi ikat air sekitar 13,6 eV, nitrogen (N2) sekitar 17,1 eV, CO2 sekitar

14,6 eV, H2 sekitar 15,6 eV, dan oksigen (O2) sekitar 12,08 eV. Elektronvolt (eV)

merupakan satuan dari energi suatu partikel yang besarnya 1,6 x 10-19 joule. Bila

kandungan air semakin banyak maka udara akan lebih mudah terionisasi dan

menyebabkan kekuatan dielektrik udara turun. Kekuatan dielektrik merupakan kuat

medan listrik yang mampu dipikul oleh suatu bahan dielektrik tanpa mengakibatkan

bahan tersebut tembus listrik. Semakin banyak kandungan air dalam udara menyebabkan

udara semakin mudah terionisasi. Hal ini menyebabkan turunnya tegangan yang

diperlukan untuk membuat udara tersebut tembus listrik.

2.4 Efek Kondisi Udara

Hasil pengujian dielektrik udara tergantung pada kondisi udara. Karena

itu, hasil pengujian ketika udara dalam keadaan standar perlu dinyatakan, yaitu pada suhu

udara 200C, tekanan udara 760 mmHg dan kelembaban udara 11g/m3. Hasil pengujian

Vs =(kh/kd) Vb……….(2.3)

Dengan

Vs = hasil pengujian pada keadaan standar,

kh = faktor koreksi kelembaban udara, kd = faktor koreksi kerapatan udara, dan

Vb= hasil pengujian pada sembarang keadaan udara.

Faktor koreksi kerapatan udara dihitung dengan persamaan

Kd = (

m,n = 1,0 untuk pengujian dengan tegangan tinggi dc dan impuls petir, dan

= 1,0 untuk semua objek uji yang ditempatkan pada sela elektroda bola – bola

= untuk elektroda jarum –jarum dan jarum piring untuk jarak sela ≤1m adalah 1,0 , sementara untuk jarak sela ≥1m lihat Gambar 2.17.

Dalam penelitian ini percobaan akan dilakukan pada jarak sela ≤1m untuk

semua elektroda, maka di asumsikan nilai m dan n adalah 1,0. Sehingga, Persamaan 2.5 dapat juga ditulis :

Kd = (

………(2.5)

Karena : δ = kd, maka Persamaan 2.3 dapat juga ditulis :

Vs =Vb /δ ………(2.6)

Dimana

Vb = Hasil pengujian pada sembarang keadaan udara

δ = factor koreksi temperatur dan tekanan udara

Oleh karena sifatnya yang empiris, maka factor koreksi terhadap kelembaban udara kh tidak

dapat dianggap tepat dan tidak selalu dapat dipakai. Oleh sebab itu, hanya Persamaan (2.5) yang

dipergunakan.

2.5 PENGERTIAN HUJAN DAN MEKANISME SIKLUS HIDROLOGI

2.5.1 Pengertian Hujan

Hujan adalah jatuhnya hydrometeor yang berupa partikel-partikel air dengan diameter

0.5 mm atau lebih. Jika jatuhnya sampai ketanah maka disebut hujan, akan tetapi apabila

jatuhannya tidak dapat mencapai tanah karena menguap lagi maka jatuhan tersebut

disebut Virga. Hujan juga dapat didefinisikan dengan uap yang mengkondensasi dan

jatuh ketanah dalam rangkaian proses hidrologi (Yeni Agustiarni, 2008).

Hujan merupakan salah satu bentuk presipitasi uap air yang berasal dari awan yang

terdapat di atmosfer. Bentuk presipitasi lainnya adalah salju dan es. Untuk dapat

terjadinya hujan diperlukan titik-titik kondensasi, amoniak, debu dan asam belerang.

Titik-titik kondensasi ini mempunyai sifat dapat mengambil uap air dari udara. Satuan

curah hujan selalu dinyatakan dalam satuan millimeter atau inchi namun untuk di

Indonesia satuan curah hujan yang digunakan adalah dalam satuan millimeter (mm).

artinya dalam luasan satu meter persegi pada tempat yang datar tertampung air setinggi

satu milimeter atau tertampung air sebanyak satu liter.

Intensitas hujan adalah banyaknya curah hujan persatuan jangka waktu tertentu.

Intensitas hujan berdasarkan besarnya curah hujan dapat di kelompokkan kedalam 3

kategori, yaitu :

 Hujan gerimis/rintik-rintik (kurang dari 2,5 mm/jam),

 Hujan sedang (2,6 - 7,5 mm/jam), dan

 Hujan deras/lebat (lebih dari 7,5 mm/jam).

Apabila dikatakan intensitasnya besar berarti hujan lebat dan kondisi ini sangat

berbahaya karena berdampak dapat menimbulkan banjir, longsor dan efek negatif

terhadap tanaman dan lingkungan.

2.5.2 Mekanisme Siklus Hidrologi

Dibumi terdapat kira-kira 1,3-1,4 milyar km3 air: 97,5% adalah air laut, 1,75%

berbentuk es dan 0,73% berada di daratan sebagai air sungai, air danau, air tanah dan

sebagainya. Hanya 0,001% berbentuk uap di udara. Air di bumi ini mengulangi terus

menerus sirkulasi, penguapan (evaporation) , hujan (presipitasi) dan pengaliran keluar

(outflow).

Air menguap dari permukaan tanah dan laut, berubah menjadi awan sesudah melalui

beberapa proses dan kemudian jatuh sebagai hujan atau salju ke permukaan bumi

sebagian langsung menguap ke udara dan sebagian tiba di permukaan bumi. Tidak semua

bagian hujan yang jatuh ke permukaan bumi mencapai permukaan tanah. Sebagian akan

tertahan oleh tumbuh-tumbuhan dimana sebagian akan menguap dan sebagian lagi akan

jatuh atau mengalir melalui dahan-dahan kepermukaan tanah (Sosrodarsono,2003)

Siklus air atau siklus hidrologi adalah sirkulasi air yang tidak pernah berhenti dari

sungai (evaporasi) maupun penguapan dari tanaman atau tumbuh–tumbuhan

(transpirasi), kemudian naik ke udara dan selanjutnya mengalami pengembunan

(kondensasi) yaitu berubah menjadi titik – titik air yang mengumpul dan membentuk

awan. Titik – titik air itu memiliki kohesi (gaya tarik antar molekul yang sama) sehingga

titik – titik air menjadi besar dan dipengaruhi oleh gravitasi bumi sehingga jatuh yang

disebut hujan (presipitasi). Pemanasan air laut oleh sinar matahari merupakan kunci

proses siklus hidrologi tersebut dapat berjalan secara terus menerus. Air berevaporasi,

kemudian jatuh sebagai presipitasi dalam bentuk hujan, salju, hujan batu, hujan es dan

salju (sleet), hujan gerimis atau kabut.

Dengan kata lain, akan terjadi hujan apabila berlangsung tiga kejadian sebagai

berikut:

1) Kenaikan massa uap air ke tempat yang lebih tinggi sampai saatnya atmosfer

menjadi jenuh.

2) Terjadinya kondensasi atas pertikel – partikel uap di atmosfer.

3) Pertikel – partikel uap air tersebut bertambah besar sejalan dengan waktu

untuk kemudian jatuh ke bumi dan permukaan laut (sebagai hujan) karena

gaya gravitasi.

Seperti yang telah diterangkan diatas, siklus hidrologi yang kontinu antara air laut dan

Gambar 2.18 Siklus Hidrologi (Sumber Suripin, 2001)[1]

2.6 PEMBENTUKAN BUTIRAN AIR HUJAN (Koalensi)

Koalesensi terjadi ketika butir air bergabung membentuk butir air yang lebih

besar, atau ketika butir air membeku menjadi kristal es yang dikenal sebagai proses

Bergeron. Resistensi udara mengakibatkan butiran air mengambang di awan. Ketika

turbulensi udara terjadi, butiran air bertabrakan dan menghasilkan butiran yang lebih

besar. Butiran air besar ini turun dan koalesensi terus berlanjut, sehingga butiran menjadi

cukup berat untuk melawan resistensi udara dan jatuh sebagai hujan.

Berdasarkan suhu lingkungan fisik atmosfer dimana awan tersebut berkembang,

awan dibedakan atas awan dingin (cold cloud) dan awan hangat (warm cloud).

Terminologi awan dingin diberikan untuk awan yang semua bagiannya berada pada

lingkungan atmosfer dengan suhu di bawah titik beku atau yang disebut awan bawah titik

beku (< 00C), sedangkan awan hangat adalah awan yang semua bagiannya berada diatas

titik beku atau yang disebut juga awan atas titik beku ( > 00C).

Koalesensi umumnya sering terjadi di awan atas titik beku dan dikenal sebagai

massa yang cukup. Umumnya, kristal membutuhkan massa yang lebih besar daripada

koalesensi yang terjadi antara kristal dan butiran air sekitarnya. Proses ini bergantung

kepada suhu, karena suhu paling rendah butiran air dingin hanya ada di awan bawah titik

beku. Selain itu, karena perbedaan suhu yang besar antara awan dan permukaan,

kristal-kristal es ini bisa mencair ketika jatuh dan menjadi hujan.

Butiran hujan memiliki beragam ukuran mulai dari diameter rata-rata

0,1 millimeter hingga 9 millimeter, di atas itu butiran akan terpisah-pisah. Air hujan

sering digambarkan sebagai berbentuk "lonjong", lebar di bawah dan menciut di atas,

tetapi ini tidaklah tepat. Air hujan kecil hampir bulat. Air hujan yang besar menjadi

semakin lebar, seperti roti hamburger, air hujan yang lebih besar berbentuk payung

terjun. Berbeda dengan kepercayaan masyarakat, bentuk butir hujan yang asli justru tidak

mirip air mata.Air hujan yang besar jatuh lebih cepat berbanding air hujan yang lebih

kecil. Butiran hujan terbesar di Bumi tercatat di Brasil dan Kepulauan Marshall pada

tahun 2004—beberapa di antaranya sebesar 10 millimeter. Ukuran besar ini disebabkan

oleh pengembunan partikel asap besar atau tabrakan antara sekelompok kecil butiran

dengan air tawar yang banyak.

Berlawanan dengan pemahaman umum, butir air hujan tidaklah turun dalam

bentuk menyerupai tetesan air mata atau bentuk mirip buah salak. Nyatanya, tetesan air

hujan berbentuk bulat saat baru saja jatuh meninggalkan awan. Untuk butiran air hujan

berukuran kecil, bentuk bulat ini bertahan. Namun, untuk butiran lebih besar, semakin

jatuh ke bawah, bentuknya berubah dan lebih menyerupai setengah bola pipih. Dalam

bahasa Inggris penampakan ini biasa disebut hamburger-bun shape atau bentuk roti

burger, rata di permukaan bawahnya dan melingkar di permukaan atasnya. Perubahan

bentuk ini akibat gaya tekan udara pada permukaan bagian bawah tetesan air hujan yang

sedang jatuh ke bumi. Gaya tekan yang berlawanan dengan arah turunnya hujan

menyebabkan ratanya permukaan bawah tetesan air hujan, seperti yang diperlihatkan

Gambar 2.19 Bentuk Butiran Air Hujan Menyerupai Bentuk Roti Hamburger

Butir hujan jatuh pada kecepatan terminalnya, lebih besar untuk butiran besar

karena massanya yang lebih besar. Di permukaan laut tanpa angin, gerimis 0,5 millimeter

jatuh dengan kecepatan 2 meter per detik, sementara butiran besar 5 millimeter jatuh pada

kecepatan 9 meter per detik.

2.7 KECEPATAN JATUH TETESAN BUTIRAN HUJAN

Ukuran butir-butir hujan adalah berjenis-jenis. Nama dari butir hujan tergantung

dari ukurannya. Dalam meteorologi, butir hujan dengan diameter lebih dari 0,5 mm di

sebut hujan dan diameter antara 0,50-0,1 mm disebut gerimis (drizzle). Makin besar

ukuran butir hujan itu, makin besar kecepatan jatuhnya. Kecepatan yang maximum

adalah kira-kira 9,2m/detik. Tabel 2.1 menunjukkan intensitas curah hujan,

Tabel 2.1. Ukuran, Massa dan Kecepatan Jatuh Butir Hujan (Sosrodarsono,2003)

Kecepatan jatuhnya suatu tetesan hujan melalui udara yang tenang tergantung

pada ukurannya (Seyhan, 1977). Mula – mula kecepatannya naik, tetapi selanjutnya

mencapai suatu kecepatan yang konstan, yang disebut kecepatan akhir atau kecepatan

terminal. Lenard (1904) dan Laws (1941) melakukan percobaan – percobaan yang lama

untuk menentukan kecepatan jatuh tetesan hujan.

Kecepatan jatuh tetesan hujan dapat ditentukan dengan beberapa metode.

Diantaranya adalah :

1. Menggunakan kurva dan tabel yang ada (Lenard, 1904; Laws, 1941). Seperti yang

terlihat pada tabel 2.2, kurva 2.21 dan kurva 2.22.

2. Kecepatan jatuh hujan dapat diestimasi dengan rumus empiris Gunn and Kinzer:

v(D) = 3,86 D0,67………..(2.6)

Keterangan v(D) adalah kecepatan jatuh butiran hujan, dan D adalah diameter

butiran hujan pada kisaran antara 0.8 dan 4.0 mm.

Tabel 2.2 Kecepatan Tetesan Air Hujan Menurut Lenard dan Laws (Seyhan,1977)

Diameter Tetesan

(mm)

Kecepatan Akhir (Kaki/Detik)

Dalam Lenard Dalam Laws

0,5 11,5 -

1,0 14,4 -

1,5 18,7 18,1

2,0 19,4 21,6

3,0 22,6 26,4

4,0 25,3 29,1

5,0 26,2 30,3

5,5 26,2 30,5

6,0 25,9 30,5

6,5 25,6 -

Gambar 2.20 menunjukkan grafik kecepatan tetesan hujan terhadap massa dan

Gambar tabel dan grafik diatas menunjukkan kecepatan tetesan hujan di alam

mungkin terletak di sekitar angka – angka ini. Untuk tetesan hujan yang mempunyai

diameter lebih dari 5,5 mm, kecepatan akhir tidaklah meningkat. Hal ini disebabkan oleh

perubahan bentuk dan pecahnya tetesan sebagai akibat meningkatnya tahanan udara.

Dalam percobaan tugas akhir ini, penulis akan merujuk pada Gambar 2.21 sebagai

referensi untuk menentukan kecepatan tetesan air hujan yang akan di uji. Karena dalam

grafik tersebut disajikan hubungan antara diameter tetesan terhadap kecepatan dan

ketinggian jatuh air hujan yang lebih lengkap dan sesuai pengujian yang hendak dilakukan.

2.8 PENGARUH AIR HUJAN TERHADAP PERUBAHAN TEGANGAN TEMBUS

UDARA

Udara adalah suatu bahan dielektrik yang baik. Dielektrik adalah suatu bahan yang

memiliki daya hantar arus yang sangat kecil atau bahkan hampir tidak ada. Pada bahan

dielektrik tidak terdapat elektron-elektron konduksi yang bebas bergerak di seluruh bahan

oleh pengaruh medan listrik. Dalam bahan dielektrik, semua elektron-elektron terikat

dengan kuat pada intinya sehingga terbentuk suatu struktur regangan (lattices) benda padat,

atau dalam hal cairan atau gas, bagian-bagian positif dan negatifnya terikat bersama-sama

sehingga tiap aliran massa tidak merupakan perpindahan dari muatan. Karena itu, jika suatu

dielektrik diberi muatan listrik, muatan ini akan tinggal terlokalisir di daerah di mana

muatan tadi ditempatkan.

Konstanta dielektrik atau permitivitas listrik relatif, adalah sebuah konstanta dalam

ilmu fisika. Konstanta ini melambangkan rapatnya fluks elektrostatik dalam suatu bahan

bila diberi potensial listrik. Konstanta dielektrik merupakan perbandingan energi listrik

yang tersimpan pada bahan tersebut jika diberi sebuah potensial, relatif terhadap vakum

(ruang hampa). Secara matematis konstanta dielektrik suatu bahan didefinisikan sebagai,

……….(2.7)

Dimana

εs = Permitivitas statis dari bahan tersebut, dan

Tabel 2.3. Berisi daftar konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.

Udara di alam yang secara umum terdiri dari 78 % nitrogen, 21 % oksigen dan 1 %

uap air, karbondioksida, dan gas-gas lainnya. Gas ideal adalah gas yang hanya terdiri dari

molekul-molekul netral, sehingga tidak dapat mengalirkan arus listrik.

Berikut ini sifat – sifat listrik dari udara pada keadaan standar pada suhu 200C :

 Resistivity (ρ) : 1.3×1016 - 3.3×1016(Ω.m)

 Conductivity (σ) : 3 x 10-7 – 8 x 10-7 μ.siemens/cm

 Kekuatan dielektrik : 31,7 kV/cm

Mekanisme kegagalan isolasi pada peralatan tegangan tinggi pada saat digunakan

disebabkan banyak hal. Salah satu kegagalan di antaranya adalah pada isolasi gas yang

mengalami kerusakan karena pengaruh lingkungan berupa hujan. Adanya hujan membuat

Ada 2 hal yang terjadi akibat perubahan konduktivitas diudara :

c. Konduktivitas tinggi, akan mengakibatkan medan listrik (E) di udara berubah, yang juga akan menurunkan kekuatan dielektrik udara sehingga

akan mempercepat udara semakin konduktif. Oleh karena itu, tegangan

tembus udara juga akan semakin kecil.

d. Konduktivitas rendah, medan listrik (E) di udara juga akan berubah, tetapi akan bersifat isolasi, dimana kekuatan dielektrik udara akan semakin

besar, dimana seolah – olah terjadi isolasi berlapis. Oleh karena itu,

tegangan tembus udara pun akan semakin besar juga.

Karakteristik Air Hujan

Menurut hasil penelitian yang dilakukan oleh Zulkarnain (1999) yang merupakan

mahasiswa pascasarjana IPB pada tesisnya, parameter fisik, kimia, dan logam berat air

hujan, karakteristik air hujan meliputi: Konduktivitas listrik berkisar dari 6-11 μsiemens/cm,

derajat keasaman, (pH) antara 4-7, sedangkan konsentrasi sulfat, nitrat, nitrit , magnesium,

amonia, klorida, kalsium, tembaga, timbal, dan flourida yang rendah, seperti yang terlihat

pada Tabel 2.3 berikut.

Hujan adalah suatu fenomena alam dimana air hujan tersebut dapat mengakibatkan

tegangan tembus karena air hujan akan dapat menghantarkan arus. Dalam kenyataan tetesan

air hujan dapat menyebabkan breakdown. Sebab hujan merupakan salah satu polutan yang

dapat mengubah konduktivitas suatu bahan dielektrik. Adanya kondisi hujan akan

mempengaruhi kekuatan dielektrik dalam mencegah terjadinya tembus antar dua peralatan

tegangan tinggi yang diisolasi.

Apabila terjadi hujan, dimana hujan yang memiliki konduktivitas lebih tinggi

dibandingkan udara, akan dapat mengubah konduktivitas udara. Sehingga konduktivitas

udara saat terjadinya hujan juga akan naik. Tingkat kenaikan konduktivitas udara tergantung

seberapa besar curah hujan yang membasahi udara tersebut. Semakin besar curah hujan

yang membasahi udara, maka akan semakin besar juga tingkat kenaikan konduktivitas udara

oleh pengaruh campuran konduktivitas hujan tersebut. Besarnya curah hujan ini

berhubungan dengan besarnya ukuran butiran air hujan. Semakin besar curah hujan maka

semakin besar juga ukuran butiran air hujan yang jatuh membasahi udara.

Secara teori hal ini dapat dianalisa sebagai berikut apabila konduktivitas semakin

tinggi, maka kekuatan dielektrik suatu bahan akan juga semakin kecil, sehingga tegangan

tembus juga akan semakin kecil, karena dibutuhkan kuat medan listrik yang semakin kecil

untuk dapat melepaskan elektron dari ikatannya yang pada gilirannya membuat nilai

tegangan tembus juga semakin kecil. Hal ini dikarenakan konduktivitas berbanding lurus

terhadap rapat arus dan berbanding terbalik terhadap kuat medan listrik. Ini sesuai dengan

rumus :

J = σ E ………(2.8)

Konduktivitas dinyatakan dengan σ dan didefinisikan sebagai perbandingan