Tĩnh điện đến từ đâu?

Nếu bạn đi ngang qua một tấm thảm trong khi đang mang vớ len, khả năng cao tay nắm cửa tiếp theo chạm vào sẽ làm bạn ngạc nhiên khi bị giật bởi những tia lửa điện. Tĩnh điện phổ biến đến mức thật dễ dàng để quên rằng nó kỳ lạ như thế nào.

Ảnh minh họa.

Nhà triết học và toán học Hy Lạp cổ đại Thales xứ Miletus là người đầu tiên mô tả về tĩnh điện vào thế kỷ thứ sáu trước Công nguyên, nhưng các nhà khoa học đã phải vật lộn trong nhiều thập kỷ để trả lời được câu hỏi cơ bản đó.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu làm việc ở quy mô nano vừa đạt được một bước tiến lớn trong nhiệm vụ tìm hiểu lý do tại sao việc chà xát hai bề mặt lại với nhau có thể tạo nên tĩnh điện.

Trong một nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Physical Review, Christopher Mizzi, một ứng cử viên tiến sĩ về khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Tây Bắc ở Evanston, Illinois và các đồng tác giả đã so sánh sự không hoàn hảo vô hình trên các vật thể hàng ngày với bề mặt Trái đất.

Nếu bạn nhìn Trái đất từ xa, hành tinh “trông rất mịn màng, giống như một quả cầu hoàn hảo”, Mizzi nói. Tuy nhiên, chúng ta biết rằng trong thực tế, Trái đất không hề tròn láng như vậy, nhưng bạn phải nhìn kỹ vào nó để nhận thấy điều đó.

Chỉ khi “bạn phóng tầm nhìn đủ lớn, bạn mới nhận thấy rằng có những ngọn núi và ngọn đồi”, ông nói. Tương tự, các vật thể quen thuộc trông thật trơn tru cho đến khi ta nhìn gần vào.

Khi các bề mặt của hai vật thể cọ xát vào nhau, các phần gồ ghề của chúng cào vào nhau, tạo ra ma sát. Các nhà khoa học đã biết từ lâu rằng ma sát đóng vai trò trong sự hình thành tĩnh điện (trong thực tế, thuật ngữ khoa học cho điện tĩnh, điện ba, chia sẻ cùng gốc với từ ma sát học trong tiếng Anh, bộ môn nghiên cứu về ma sát).

Trong nghiên cứu mới, Mizzi và các đồng tác giả đã chỉ ra cách các phần gồ ghề gây ra ma sát cũng đồng thời gây ra sự khác biệt đáng kể trong điện tích.

Một điều bất thường về tĩnh điện là nó dễ sản sinh ra nhất từ các vật liệu chống điện được gọi là chất cách điện; chúng bao gồm cao su, len và tóc.

Trong điện hiện tại – dạng điện hàng ngày cung cấp năng lượng cho điện thoại, đèn và hầu hết các thiết bị điện tử khác – electron tạo ra dòng điện bằng cách chảy qua các nguyên tử trong vật liệu dẫn điện, như dây đồng.

Nhưng các nguyên tử của chất cách điện không để các electron đến và đi dễ dàng; chúng ức chế dòng điện tử.

Mizzi và các đồng nghiệp đã phát hiện ra rằng tĩnh điện được tạo ra khi các phần gồ ghề trong chất cách điện cọ xát vào nhau và cản trở các đám mây electron. Vì các electron trong chất cách điện khó có thể di chuyển xung quanh một cách dễ dàng, nên sự cọ xát có thể khiến các đám mây điện tử bị bẻ cong dẫn đến biến dạng.

Trong các vật liệu đó, đám mây electron xung quanh các nguyên tử thường đối xứng. Khi bạn nhìn vào chúng, bạn “không thể phân biệt đâu là từ trên xuống, đâu là từ trái sang phải”, Mizzi nói.

Nhưng nếu chúng bị bóp, chúng sẽ biến dạng và trở nên bất đối xứng. Trong trường hợp thích ứng, hình dạng mới đó có thể phân phối điện áp không đều trên vật liệu, Mizzi giải thích.

Vậy điều này có liên quan gì đến đi vớ len trên thảm? Khi bạn đi trong những đôi vớ như vậy, sự kết hợp giữa trọng lượng cơ thể và chuyển động sải chân của bạn làm cho các sợi trong vớ của bạn cọ xát với các sợi trên thảm.

Khi hai vật liệu cọ xát vào nhau như thế này, các gờ trên một bề mặt móc và kéo vào những điểm gồ ghề trên bề mặt đối diện, khiến chúng bị uốn cong. Khi sự uốn cong này xảy ra, các đám mây electron trong các nguyên tử tạo nên các điểm gồ ghề sẽ bị cắt thành các hình dạng bất đối xứng, gây ra sự chênh lệch rất nhỏ về điện áp.

Mặc dù nhỏ, những thay đổi trong điện áp cộng dồn lên. Các điểm gồ ghề nhiều đến nỗi sự bóp méo các đám mây electron gây ra sự tích tụ đáng kể của tĩnh điện – đủ mạnh để bạn cảm nhận được khi bạn chạm vào tay nắm cửa hoặc bắt tay với ai đó.

Sự hiểu biết mới về điện tĩnh này có thể ảnh hưởng đến các nhà khoa học đang phát triển các loại vải tạo ra năng lượng ma sát để sạc các thiết bị đeo được có thể làm cho sản phẩm hiệu quả hơn…

Đức Mạnh

Theo giaoducthoidai.vn