Tĩnh điện là gì?

Tĩnh điện có thể gây phiền toái hoặc thậm chí gây nguy hiểm. Năng lượng làm tóc bạn dựng đứng cũng có thể làm hỏng đồ điện tử và gây cháy nổ. Tuy nhiên, nếu được điều khiển và xử lí tốt, nó cũng có thể hết sức hữu ích cho cuộc sống hiện đại.

“Tích điện là một tính chất căn bản của vật chất,” theo giáo sư Michael Richmond tại Viện Công nghệ Rochester. Gần như toàn bộ điện tích trong vũ trụ được mang bởi proton và electron. Người ta biết proton có điện tích +1 đơn vị electron, còn electron có điện tích -1, mặc dù hai dấu cộng trừ này là hoàn toàn tùy ý. Vì proton thường bị giam với hạt nhân nguyên tử, chúng bị khóa bên trong nguyên tử, nên chúng hầu như không được tự do chuyển động như electron. Do đó, khi chúng ta nói về dòng điện, gần như ta luôn luôn muốn nói tới dòng electron, và khi ta nói về tĩnh điện, ta thường muốn nói một sự mất cân bằng giữa điện tích âm và điện tích dương bên trong các vật.

Sét đánh vào Tháp CN ở Toronto, Canada. Tòa tháp cao 553 mét này bị sét đánh khoảng 80 lần mỗi năm, nhưng các sợi dây đồng chạy từ đỉnh anten của tháp xuống 52 chân cọc chôn dưới đất đã làm tiêu tán hết các điện tích. Ảnh: Atomazul / Shutterstock

Các nguyên nhân gây nhiễm điện

Một nguyên nhân gây nhiễm điện thường gặp là sự tiếp xúc giữa các vật liệu rắn. Khi hai vật cọ xát vào nhau tạo ra tĩnh điện, một vật nhường đi electron và trở nên mang điện dương còn vật kia nhận electron và trở nên mang điện âm. Đây là vì một vật liệu có các electron liên kết yếu, còn vật liệu kia có nhiều khoảng trống trong lớp vỏ electron ngoài cùng của nó, cho nên các electron có thể di chuyển từ vật này sang vật kia, tạo ra sự mất cân bằng điện tích sau khi tách hai vật ra. Các vật liệu có thể cho hoặc nhận electron theo kiểu này được gọi là vật liệu điện ma sát. Một ví dụ thường gặp của hiện tượng này là khi bạn đi trên thảm, nhất là vào những ngày khô ráo khiến không khí kém dẫn điện hơn.

Vì các điện tích cùng dấu thì đẩy nhau, nên chúng có xu hướng di chuyển ra ngoại vi của vật nhiễm điện để càng xa nhau càng tốt. Đây là cái khiến tóc bạn dựng đứng khi cơ thể bạn nhiễm điện. Khi bạn chạm tay vào một miếng kim loại nối đất như một cái đinh ốc trên ổ công tắc bóng đèn, thì việc này tạo ra một đường đi xuống đất cho điện tích qua cơ thể bạn. Sự phóng điện đột ngột này tạo ra một tia chớp nhìn thấy và nghe rõ trong không khí giữa ngón tay của bạn và cái đinh ốc. Hiện tượng này là do hiệu điện thế cao giữa cơ thể bạn và mặt đất có thể lên tới 25.000 V.

Sự nguy hiểm của tĩnh điện

Ngoài việc gây sốc điện đau đớn, những sự phóng điện cao thế đột ngột này có thể mang lại một nguồn đánh lửa cho các chất dễ cháy. Sốc tĩnh điện cũng có thể làm hỏng đồ điện tử tinh vi. Theo NASA, một tia lửa đơn giản từ ngón tay bạn có thể làm hỏng các bộ phận nhạy cảm và khiến chúng trở nên vô dụng, vì thế ta nên lường trước tình huống chẳng hạn như giữ các bo mạch trong túi dẫn điện và bọc dây nối đất để tiêu tán điện tích liên tục từ cơ thể bạn.

Một nguồn nhiễm điện khác là chuyển động của chất lỏng trong ống hẹp. Nếu chất lỏng là dễ cháy – ví dụ như xăng – thì một tia lửa do phóng điện đột ngột có thể gây ra hỏa hoạn hoặc cháy nổ. Những người làm việc với nhiên liệu lỏng phải hết sức cẩn trọng để tránh tích điện và phóng điện bất ngờ. Trong một bài phỏng vấn, giáo sư Daniel Marsh tại Đại học Nam Missouri cảnh báo rằng khi bơm xăng vào xe của mình, bạn phải luôn luôn chạm tay vào phần kim loại của xe sau khi bỏ tay bơm để tiêu tán điện tích có thể đã phát sinh lúc trượt trên ghế ngồi. Ngoài ra, khi mua gas về cho máy cắt cỏ nhà mình, bạn nên nhớ luôn lấy bình ra khỏi xe và đặt bình xuống đất lúc bơm nhiên liệu. Việc này làm tiêu tán điện tích liên tục và ngăn nó tích tụ gây ra tia lửa.

Các kho nhiên liệu lớn có nguy cơ cháy nổ cao, vì thế vấn đề tĩnh điện luôn được quan tâm hàng đầu. Nguyên tắc chung là giảm thiểu sự phát sinh nhiễm điện, ngăn tích góp điện tích, tránh phóng tia lửa điện, và điều khiển môi trường bên trong bể nhiên liệu.

Chất khí và hơi chuyển động cũng có thể phát sinh nhiễm điện. Trường hợp quen thuộc nhất của hiện tượng này là sét. Theo Martin A. Uman, tác giả quyển “Mọi thứ cần biết về sét” (Dover, 1987), Benjamin Franklin đã chứng minh rằng sét là một dạng tĩnh điện khi ông và con trai của ông thả một con diều lúc trời mưa giông. Họ gắn một cái chìa khóa vào dây diều, và sợi dây ướt dẫn điện tích từ đám mây xuống chìa khóa gây ra tia lửa khi ông chạm vào nó. (Trái với một số phiên bản của huyền thoại trên, cái diều không bị sét đánh trúng. Nếu không thì kết quả có thể đã thật thảm khốc.)

Thật vậy, Franklin đã định hình cách chúng ta nghĩ về điện. Ông trở nên hứng thú nghiên cứu điện vào năm 1742. Cho đến lúc ấy, đa số mọi người cho rằng các hiệu ứng điện là kết quả của sự pha trộn hai chất lỏng điện khác nhau. Tuy nhiên, Franklin bị thuyết phục rằng chỉ có một chất lỏng điện duy nhất và các vật có thể bị thừa hoặc thiếu loại chất lỏng này. Ông phát minh ra thuật ngữ “dương” và “âm” để chỉ sự thừa hoặc thiếu đó. Ngày nay, chúng ta biết rằng “chất lỏng điện” thật ra là các electron, nhưng phải 150 năm sau Franklin người ta mới biết điều đó.

Theo Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA, các đám mây hình thành nên các vùng nhiễm điện do các giọt nước ấm bốc lên trao đổi electron với các tinh thể băng lạnh chìm xuống. Theo NASA, hiệu điện thế giữa đám mây tích điện và mặt đất có thể vượt quá 300.000 V, cho nên hệ quả của việc bị sét đánh có thể là chết người. Lúc tia sét đánh vào người, dòng điện có xu hướng chạy trên bề mặt cơ thể trong một quá trình gọi là “đánh thủng ngoài”, có thể gây bỏng nghiêm trọng, nhất là tại điểm chạm trúng ban đầu. Tuy nhiên, một phần dòng điện có thể đi qua cơ thể và làm tê liệt hệ thần kinh. Ngoài ra, chấn động từ vụ nổ có thể gây nội thương nặng và làm mất thính giác vĩnh viễn, còn tia chớp có thể gây hỏng thị lực tạm thời hoặc vĩnh viễn. Năng lượng giải phóng trong một tia sét là rất lớn, giáo sư Daniel Marsh kể rằng ông từng chứng kiến cảnh tượng hơi nước áp suất cao từ tia sét làm tách đôi một cây sồi cổ thụ.

Nếu bạn có thể nghe tiếng sấm thì thường là bạn đang ở trong vùng sét đánh. Nếu bạn ở ngoài trời khi cơn giông đến, thì bạn nên lập tức tìm kiếm nơi ẩn nấp trong nhà hoặc trong xe và tránh tiếp xúc với bất cứ vật kim loại nào. Nếu bạn không thể chạy vào nhà, thì bạn tránh xa các cao trình như cây cối, tòa tháp hoặc đỉnh đồi và, nếu có thể, bạn nên cuộn tròn người lại để tiếp xúc với mặt đất càng ít càng tốt.

Ứng dụng của tĩnh điện

Trong khi tĩnh điện có thể gây phiền toái hoặc thậm chí gây nguy hiểm, như trong trường hợp bám dính tĩnh điện hoặc sốc tĩnh diện, thì trong các trường hợp khác nó có thể khá hữu ích. Chẳng hạn, sự tích điện có thể do dòng điện gây ra. Một ví dụ là tụ điện, gọi tên như vậy vì nó có khả năng dự trữ điện tích, tương tự như một cái lò xo dự trữ cơ năng. Thiết đặt một hiệu điện thế cho tụ điện tạo ra sự khác biệt điện tích giữa hai bản tụ. Nếu tụ đã nạp điện và ngắt điện áp đi, thì nó có thể duy trì điện tích đó trong một thời gian. Điều này có thể hữu ích, như trong trường hợp siêu tụ điện, dụng cụ có thể thay thế cho pin sạc trong một số ứng dụng, nhưng nó cũng có thể nguy hiểm. Thiết bị điện tử như màn hình máy vi tính kiểu cũ CRT hoặc đầu hình ti vi có chứa số lượng lớn tụ điện có thể duy trì điện tích lên tới 25.000 V, nó có thể gây thương tích hoặc chết chóc sau khi dụng cụ đã tắt nguồn vài ba ngày.

Một cách khác tạo ra sự nhiễm điện có ích là với sức căng cơ học. Ở các vật liệu áp điện, các electron đúng là có thể bị ép ra khỏi chỗ và buộc phải di chuyển ra khỏi vùng đó dưới sức căng cơ học. Điện áp do sự mất cân bằng điện tích thu được khi đó được khai thác để thực hiện công. Một ứng dụng là khai thác năng lượng, nhờ đó các dụng cụ công suất thấp có thể hoạt động dựa trên năng lượng tạo ra bởi các dao động nhiệt.

Một ứng dụng nữa là cho microphone tinh thể. Sóng âm trong không khí có thể làm uốn một màng chắn nối với một bộ phận áp điện biến đổi sóng âm thành tín hiệu điện. Khi hoạt động ngược lại, tín hiệu điện có thể làm cho bộ phận biến năng áp điện trong loa chuyển động, từ đó tái tạo lại âm thanh.

Sự nhiễm điện cục bộ cũng có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng cường độ mạnh. Đây là nguyên lí hoạt động của máy photocopy và máy in laser. Trong máy photocopy, ánh sáng có thể đến từ ảnh chiếu của một tờ giấy; trong máy in laser, ảnh được vạch ra trên trống bởi một chùm laser quét. Toàn bộ trống ban đầu được tích điện bởi một vòng dây phóng điện giải phóng các electron tự do trong không khí, khai thác nguyên lí giống như hiện tượng ngọn lửa Thánh Elmo. Các electron từ vòng dây khi ấy bị hút về phía trống tích điện dương. Ảnh in khi ấy được chiếu lên trống dẫn sáng, và điện tích bị tiêu tán ở những chỗ bị rọi sáng, còn những chỗ tối của ảnh vẫn còn tích điện. Những chỗ tích điện trên trống khi đó có thể hút các hạt mực tích điện trái dấu rồi lăn trên giấy in, tờ giấy được cuộn bởi con lăn tích điện dương, và rồi được sấy khô tại chỗ bởi một bộ phận điện tỏa nhiệt.

Các nhà máy điện chạy than sử dụng các chất kết tủa tĩnh điện để thu gom các hạt mịn trong ống khói để chúng có thể được gom lại dưới dạng chất thải rắn thay vì phóng thích vào trong không khí. Trong một ứng dụng khác, sự nhiễm điện được áp dụng cho thuốc diệt cỏ để phun tơi trên đồng dưới dạng sương mịn. Các hạt thuốc nhiễm điện bị hút và phân bố đều lên lá của những bụi cây muốn tiêu diệt mà không rơi lên đất và lãng phí. Nguyên lí tương tự được áp dụng cho sơn tĩnh điện, nhờ đó nước sơn bám nhiều hơn lên vật sơn và ít bị tổn thất trong không khí, dính lên tường và sàn nhà của phòng sơn.

Nguồn: thuvienvatly.com