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 molekulmolekul 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
merangsang timbulnya proses ionisasi
Universitas Sumatera Utara
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
d. Ionisasi Radiasi Sinar Kosmis
Universitas Sumatera Utara
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:
A + hv→ A+ + e ………………………………(2.1)
Universitas Sumatera Utara
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
elektron volt (eV) yang berbeda untuk setiap jenis logam.
Universitas Sumatera Utara
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
logam. Untuk lebih jelasnya lihat Gambar 2.4 sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
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 :
Gambar 2.5 Emisi Benturan Ion Positif
Universitas Sumatera Utara
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.
Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada Gambar 2.7 berikut :
Universitas Sumatera Utara
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
Menyelesaikan discharge
Universitas Sumatera Utara
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
:
Universitas Sumatera Utara
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
perpindahan muatan akan terus bertambah yang menyebabkan banjir muatan dan arus
Universitas Sumatera Utara
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
dilihat pada Gambar 2.10.
Universitas Sumatera Utara
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
runcing kerucut, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Universitas Sumatera Utara
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]
Banjiran elektron pada banjiran muatan ini akan bergerak menuju bagian depan
kerucut dan membentuk plasma. Plasma adalah gas terionisasi, yaitu gas yang
memiliki banyak elektron bebas dan ion positif. Karena plasma memiliki elektron
Universitas Sumatera Utara
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
ditunjukkan pada Gambar 2.14.
Universitas Sumatera Utara
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]
Banjiran ion positif sekunder akan bergerak menuju banjiran elektron awal dan
membentuk plasma ditunjukkan dalam Gambar 2.16. Proses ini akan berlangsung terus
sampai plasma mencapai anoda.
Universitas Sumatera Utara
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
menyebabkan proses ionisasi sangat sedikit.
Universitas Sumatera Utara
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
pada keadaan standar adalah :
Universitas Sumatera Utara
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
……………………………..………………………………....(2.4)
n
x(
Dengan
kd
= faktor koreksi kerapatan udara,
p
= tekanan udara (mmHg),
T = temperatur udara (oC)
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.
m,n,w
1,0
0,5
d (m)
0,0
5,0
10,0
Gambar 2.17 Nilai m, n dan w untuk berbagai jarak percikan[7]
Universitas Sumatera Utara
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).
Curah hujan merupakan ketinggian air hujan yang terkumpul dalam tempat yang
datar, tidak menguap, tidak meresap, dan tidak mengalir. Curah hujan 1 (satu) milimeter
Universitas Sumatera Utara
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
atmosfer ke bumi dan kembali ke atmosfir melalui penguapan dari air laut, danau, dan
Universitas Sumatera Utara
(evaporasi)
sungai
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
air daratan dapat dilihat pada Gambar 2.18.
Universitas Sumatera Utara
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
proses hujan hangat. Di awan bawah titik beku, kristal es mulai jatuh ketika memiliki
Universitas Sumatera Utara
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, kristalkristal 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
pada Gambar 2.19.
Universitas Sumatera Utara
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, ukuranukuran butir hujan, massa dan kecepatan jatuh butir hujan.
Universitas Sumatera Utara
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.
3. Menggunakan kamera berkecepatan tinggi.
Universitas Sumatera Utara
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
ketinggian jatuh hujan menurut percobaan yang dilakukan Hall, pada tahun 1910.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.20 Grafik Kecepatan Tetesan Hujan Terhadap Massa dan
Ketinggian Jatuh Hujan[8]
Gambar 2.21 Grafik Hubungan Antara Diameter Tetesan Terhadap Kecepatan
dan Ketinggian Jatuh Air Hujan[8]
Universitas Sumatera Utara
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
ε0 = Permitivitas vakum
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.3. Berisi daftar konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.
BAHAN
KONSTANTA DIELEKTRIK
Vakum
1
Udara
1,00054
Karet
7
Silikon
11,68
Metanol
3
Beton
4,5
Air (20 °C)
80,10
Barium titanat
1200
Kaca pyrex
4,7
Kertas
3,5
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
perubahan konduktivitas yang juga akan merubah medan listrik (E) di udara.
Universitas Sumatera Utara
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.
Tabel 2.4. Karakteriktik Air Hujan[1]
Universitas Sumatera Utara
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
antara rapat arus (J) terhadap kuat medan listrik (E).
Universitas Sumatera Utara
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 molekulmolekul 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
merangsang timbulnya proses ionisasi
Universitas Sumatera Utara
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
d. Ionisasi Radiasi Sinar Kosmis
Universitas Sumatera Utara
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:
A + hv→ A+ + e ………………………………(2.1)
Universitas Sumatera Utara
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
elektron volt (eV) yang berbeda untuk setiap jenis logam.
Universitas Sumatera Utara
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
logam. Untuk lebih jelasnya lihat Gambar 2.4 sebagai berikut :
Universitas Sumatera Utara
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 :
Gambar 2.5 Emisi Benturan Ion Positif
Universitas Sumatera Utara
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.
Untuk lebih jelasnya dapat kita lihat pada Gambar 2.7 berikut :
Universitas Sumatera Utara
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
Menyelesaikan discharge
Universitas Sumatera Utara
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
:
Universitas Sumatera Utara
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
perpindahan muatan akan terus bertambah yang menyebabkan banjir muatan dan arus
Universitas Sumatera Utara
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
dilihat pada Gambar 2.10.
Universitas Sumatera Utara
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
runcing kerucut, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Universitas Sumatera Utara
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]
Banjiran elektron pada banjiran muatan ini akan bergerak menuju bagian depan
kerucut dan membentuk plasma. Plasma adalah gas terionisasi, yaitu gas yang
memiliki banyak elektron bebas dan ion positif. Karena plasma memiliki elektron
Universitas Sumatera Utara
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
ditunjukkan pada Gambar 2.14.
Universitas Sumatera Utara
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]
Banjiran ion positif sekunder akan bergerak menuju banjiran elektron awal dan
membentuk plasma ditunjukkan dalam Gambar 2.16. Proses ini akan berlangsung terus
sampai plasma mencapai anoda.
Universitas Sumatera Utara
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
menyebabkan proses ionisasi sangat sedikit.
Universitas Sumatera Utara
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
pada keadaan standar adalah :
Universitas Sumatera Utara
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
……………………………..………………………………....(2.4)
n
x(
Dengan
kd
= faktor koreksi kerapatan udara,
p
= tekanan udara (mmHg),
T = temperatur udara (oC)
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.
m,n,w
1,0
0,5
d (m)
0,0
5,0
10,0
Gambar 2.17 Nilai m, n dan w untuk berbagai jarak percikan[7]
Universitas Sumatera Utara
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).
Curah hujan merupakan ketinggian air hujan yang terkumpul dalam tempat yang
datar, tidak menguap, tidak meresap, dan tidak mengalir. Curah hujan 1 (satu) milimeter
Universitas Sumatera Utara
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
atmosfer ke bumi dan kembali ke atmosfir melalui penguapan dari air laut, danau, dan
Universitas Sumatera Utara
(evaporasi)
sungai
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
air daratan dapat dilihat pada Gambar 2.18.
Universitas Sumatera Utara
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
proses hujan hangat. Di awan bawah titik beku, kristal es mulai jatuh ketika memiliki
Universitas Sumatera Utara
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, kristalkristal 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
pada Gambar 2.19.
Universitas Sumatera Utara
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, ukuranukuran butir hujan, massa dan kecepatan jatuh butir hujan.
Universitas Sumatera Utara
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.
3. Menggunakan kamera berkecepatan tinggi.
Universitas Sumatera Utara
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
ketinggian jatuh hujan menurut percobaan yang dilakukan Hall, pada tahun 1910.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.20 Grafik Kecepatan Tetesan Hujan Terhadap Massa dan
Ketinggian Jatuh Hujan[8]
Gambar 2.21 Grafik Hubungan Antara Diameter Tetesan Terhadap Kecepatan
dan Ketinggian Jatuh Air Hujan[8]
Universitas Sumatera Utara
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
ε0 = Permitivitas vakum
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.3. Berisi daftar konstanta dielektrik beberapa bahan pada suhu kamar.
BAHAN
KONSTANTA DIELEKTRIK
Vakum
1
Udara
1,00054
Karet
7
Silikon
11,68
Metanol
3
Beton
4,5
Air (20 °C)
80,10
Barium titanat
1200
Kaca pyrex
4,7
Kertas
3,5
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
perubahan konduktivitas yang juga akan merubah medan listrik (E) di udara.
Universitas Sumatera Utara
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.
Tabel 2.4. Karakteriktik Air Hujan[1]
Universitas Sumatera Utara
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
antara rapat arus (J) terhadap kuat medan listrik (E).
Universitas Sumatera Utara