Tại sao chúng ta hay thấy những tia sét nhỏ vào mùa đông?

Tĩnh diện là một hiện tượng vật lý mà chúng ta thường xuyên gặp trong đời sống hàng ngày. Hiện tượng này đôi lúc rất dễ nhận biết như khi nó làm cho tóc bạn dựng lên. Những tháng mùa đông lạnh và khô là thời điểm chúng ta phải chịu khá nhiều phiền phức bởi hiện tượng tĩnh điện, chúng có thể phóng ra những tia sét nhỏ khi chúng ta chạm vào tay nắm cửa hay chạm vào một chiếc chăn ấm mới.

Tĩnh điện là một trong những hiện tượng khoa học lâu đời nhất được con người quan sát và mô tả lại. Nhà triết học người Hy Lạp Thales ở thành phố Miletus là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng này. Trong các ghi chép của mình từ cuối thể kỷ thứ 6 trước Công nguyên, ông đã mô tả rằng nếu chà xát các viên đá hổ phách đủ mạnh, các hạt cát sẽ bắt đầu dính vào nó. 300 năm sau, Theophratus tiếp tục thí nghiệm của Thales bằng các loại đá khác nhau và cũng đưa ra kết luận về "một lực hấp dẫn". Nhưng cả hai nhà triết học này đều không tìm thấy lời giải đáp thỏa đáng cho hiện tượng trên.

Phải gần 2.000 năm sau đó, từ "electricity" mới được tạo ra dựa trên từ gốc Latin là "electricus", còn có nghĩa là "giống như hổ phách". Một trong những thí nghiệm nổi tiếng nhất về điện thuộc vệ Benjamin Franklin khi ông tìm hiểu các đặc tính của điện, đây cũng là lý do chân dung của ông được in lên tờ 100 USD. Sau đó, con người nhanh chống nhận ra tiềm năng to lớn của dòng điện.

Tất nhiên, ở thế kỷ thứ 18, con người hầu như chỉ sử dụng tĩnh điện trong các màn ảo thuật hay các trò giải trí khác. Ví dụ như "thí nghiệm cậu bé bay" của Stephen Gray trở thành một màn trình diễn nổi tiếng. Cậu bé được treo trên một sợi dây lụa, sau đó Gray sử dụng chai Layden để tích điện vào người cậu bé. Và kết quả là cậu bé có thể lật từng trang sách bằng tĩnh điện, hay nhấc các vật nhỏ lên chỉ bằng lực hút tĩnh điện.

"Thí nghiệm cậu bé bay" của Stephen Gray. (Ảnh: Christian August Hausen)

Dựa trên những nghiên cứu của Franklin, trong đó gồm cả mặt lợi, mặt hại của tĩnh điện và cả việc điện tích luôn cân bằng, ngày nay, chúng ta đã biết được nguyên nhân gây ra tĩnh điện ở mức độ nguyên tử. Ngoài ra chúng ta còn phát hiện tại sao lại xuất hiện những tia sét nhỏ và cách để tránh phiền phức từ chúng bằng những công nghệ hiện đại.

Những tia sét nhỏ từ đâu mà có?

Tĩnh điện sẽ dẫn đến một lực tương tác giữa các điện tích với nhau. Ở mức độ nguyên tử, điện tích âm là các hạt cơ bản có tên là electron. Hầu hết các hạt electron đều nằm bên trong vật chất, cho dù đó là một hòn đá vô tri hay là một sinh vật sống. Tuy nhiên, cũng có nhiều hạt electron nằm trên bề mặt vật chất. Mỗi loại vật chất khác nhau sẽ có sự phân bổ electron trên bề mặt khác nhau. Nếu chà xát hai bề mặt với nhau, electron có thể nhảy từ bề mặt vật chất "yếu hơn" sang bề mặt vật chất có lực hút lớn hơn.

Sự dịch chuyển electron này thường xuyên xảy ra và chúng chính là những tia sét nhỏ mà chúng ta thấy. Ví dụ như khi chơi trượt cầu trượt, hay chùi chân lên thảm hoặc khi bạn tháo găng tay len để bắt tay người khác chẳng hạn.

Nhưng nếu bạn chú ý sẽ thấy hiện tượng này thường xuyên diễn ra hơn vào những mùa đông khô và lạnh, khi không khí có độ ẩm rất thấp. Không khí khô là một lớp cách điện, trong khi không khí ẩm lại có thể dẫn điện tốt hơn. Hiện tượng này diễn ra như sau: Trong không khí khô, electron sẽ mắc lại trên bề mặt có lực hút lớn hơn. Không giống với khi trong không khí ẩm, electron trong không khí khô không thể tìm được đường quay về bề mặt vật chất của nó và chúng không thể quay lại trạng thái cân bằng điện tích.

Tia sét xuất hiện khi một vật thể dư điện tích âm trên bề mặt đến gần một vật thể khác thiếu điện tích âm và lượng dư điện tích âm lớn đến mức đủ để xuất hiện một cú "nhảy" electron. Electron sẽ nhảy từ nơi nhiều, như trên người bạn sau khi chà chân lên tấm thảm len, đến nơi không có nhiều electron, như tay nắm cửa chẳng hạn.

Bạn sẽ cảm thấy hơi nhói khi electron "nhảy". (Ảnh: Muhammed Ibrahim).

Khi electron không có nơi nào để chảy đi, tĩnh điện sẽ tiếp tục tăng trên bề mặt đến một mức giới hạn và phát ra dưới dạng một tia sét nhỏ. Ví dụ như khi bạn đưa ngón tay của mình ra, electron sẽ phóng ra theo ngón tay bằng một tia sét nhỏ và chắc chắn bạn sẽ cảm thấy nó.

Những tia sét nhỏ này có mạnh không?

Dù đôi lúc có phiền phức, nhưng lượng điện tích khi tĩnh điện thường khá nhỏ và vô hại. Điện áp của nó có thể gấp 100 lần điện áp của các ổ cắm điện. Tuy nhiên, điện áp lớn không phải là thứ đáng lo ngại vì điện áp chỉ là thước đo độ chênh lệch điện tích giữa các vật. Thứ đáng quan tâm nhất chính là cường độ dòng điện, đây là chỉ số chỉ lượng electron dịch chuyển. Trong tia sét do tĩnh điện tạo ra chỉ có một vài electron dịch chuyển, do vậy những tia sét này khá là vô hại.

Tuy nhiên, những tia sét nhỏ này có thể gây hư hỏng cho những linh kiện điện tử nhạy cảm như phần cứng trong máy tính. Chỉ một dòng điện rất nhỏ với vài electron cũng có thể vô tình "nướng chín" các linh kiện máy tính. Đó là lý do vì sao các công nhân lắp ráp linh kiện điện tử luôn phải được "tiếp đất". "Tiếp đất" có nghĩa là bạn được nối với mặt đất bằng một dây dẫn, sợi dây này như một con đường cao tốc cho các electron trở về "nhà" vậy. Bạn cũng có thể tự "tiếp đất" bằng cách chạm vào kim loại hoặc nắm chìa khóa trên tay. Kim loại là chất dẫn điện rất tốt, vì vậy electron sẽ "rất vui" khi được di chuyển sang chất liệu này.

Một mối nguy hiểm khá tiềm năng là xuất hiện các tia lửa điện tại nơi có khí dễ cháy. Do đó, các cây xăng đều yêu cầu bạn nên tự "tiếp đất" bản thân trước khi chạm vào các trạm bơm xăng, nếu không các tia lửa điện có thể bắt lửa hơi xăng trong không khí. Hoặc bạn cũng có thể đầu tư cho mình một vòng đeo tay chống tĩnh điện mà các công nhân lắp ráp linh kiện máy tính hay sử dụng. Chúng ngăn cản sự tích điện nhờ quấn quanh cổ tay bằng vật liệu dẫn điện.

Các công nhân lắp ráp linh kiện điện tử thường đeo vòng chống tĩnh điện khi làm việc để tránh làm hỏng thiết bị. (Ảnh: shutterstock.com).

Trong cuộc sống thường ngày, cách tốt nhất để giảm hiện tượng tĩnh điện là sử dụng máy cấp ẩm không khí, đồng thời giữ cho làn da của bạn luôn đủ độ ẩm bằng các sản phẩm dưỡng ẩm cho da. Sử dụng nước xả vải để làm mềm vải, tránh làm vải bị quá khô sau khi giặt và sấy cũng là một cách khá hữu ích. Bạn cũng có thể bôi chất làm mềm vải lên thảm để tránh tĩnh điện. Cuối cùng và không kém phần quan trọng là hãy mặc quần áo có chất liệu cotton và giày đế da thay vì đồ len và giày đế cao su.

Khai thác lợi ích từ tĩnh điện

Dù chúng có thể khá phiền phức và có một vài nguy hiểm nhất định, nhưng chắc chắn chũng cũng sẽ có những mặt có lợi.

Nhiều công nghệ hiện đại ngày nay ứng dụng dựa trên tĩnh điện. Ví dụ như máy in và máy photocopy quang điện sử dụng tĩnh điện như "chất keo dính" để gắn mực in lên giấy. Máy lọc không khí không chỉ giúp khử mùi mà còn loại bỏ các chất bụi bẩn trong không khí bằng tĩnh điện.

Tương tự, ống khói của các nhà máy hiện đại sử dụng các tấm tích điện để giảm lượng chất thải bay ra môi trường. Khi khói bay lên theo đường ống, chúng sẽ nhận các hạt điện tích âm từ lưới kim loại. Sau khi được tích điện, chúng sẽ bị mắc vào tấm kim loại ở phía bên kia đường ống có mang điện tích dương. Cuối cùng, các hạt bụi từ khí thải được gom lại và đưa đi xử lý riêng.

Tĩnh điện giúp làm khí thải từ nhà máy sạch hơn. (Ảnh: Muhammed Ibrahim).

Tĩnh điện còn được ứng dụng trong công nghệ nano, ví như như để bắt các nguyên tử đơn lẻ bằng chùm tia laser. Những nguyên tử này có rất nhiều mục đích khác nhau trong các ứng dụng điện toán. Một ứng dụng khác của tĩnh điện trong công nghệ nano là điều khiển các bóng nano. Tĩnh điện có thể điều khiển trạng thái của các bóng nano phồng lên hay xẹp xuống. Những nghiên cứu này có thể sẽ được ứng dụng vào các mô cơ thể người trong tương lai.

Tĩnh điện đã được phát hiện hơn hai thiên niên kỷ. Tuy đôi lúc có phần phiền phức nhưng nó đã được chứng minh là rất quan trọng trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta.

Cập nhật: 31/12/2019 Theo vnreview