Nếu bạn đi ngang qua một tấm thảm trong vớ len, có một cơ hội khá tốt rằng tay nắm cửa tiếp theo bạn chạm vào sẽ làm bạn ngạc nhiên với một tia lửa. Tĩnh điện phổ biến đến mức thật dễ dàng để quên nó kỳ lạ như thế nào.
Nhưng những gì thực sự xảy ra khi bạn gặp phải những tia lửa?
Nhà triết học và toán học Hy Lạp cổ đại Thales of Miletus là người đầu tiên mô tả 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 câu hỏi cơ bản đó. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu làm việc ở cấp độ 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 dẫn đến một cú sốc.
Cho dù bề mặt có thể trông mịn như thế nào, khi bạn phóng to đủ gần, bạn sẽ nhận thấy những va đập và hố. Các nhà khoa học gọi những điều không hoàn hảo này là "sự tự do". Mọi bề mặt, từ bóng bay đến các sợi như len hoặc tóc, đều được bao phủ trong các lỗ nhỏ. Và các tính năng này chịu trách nhiệm sản xuất điện tĩnh, Christopher Mizzi, một ứng cử viên tiến sĩ về khoa học vật liệu và kỹ thuật tại Đại học Tây Bắc ở Evanston, Illinois cho biết.
Trong một nghiên cứu được công bố vào tháng 9 trên tạp chí Vật lý Đánh giá, Mizzi 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 suôn sẻ, nhưng bạn phải nhìn kỹ vào nó để thấy điều đó. Chỉ khi "bạn phóng to đủ xa, bạn mới nhận thấy rằng có những ngọn núi và ngọn đồi", ông nói. Tương tự, các vật thể quen thuộc trông trơn tru cho đến khi nhìn gần.
Khi các bề mặt của hai vật thể cọ sát vào nhau, sự tự nhiên của chúng cào vào nhau, tạo ra ma sát. Các nhà khoa học đã biết từ lâu rằng ma sát đóng vai trò trong tĩnh điện. (Trong thực tế, thuật ngữ khoa học cho điện tĩnh, điện ba, chia sẻ một gốc với bộ lạc, đó là nghiên cứu về ma sát.)
Trong nghiên cứu mới, Mizzi và các đồng tác giả đã chỉ ra cách thức các thiên hà gây ra ma sát cũng gây ra sự khác biệt gây sốc trong điện tích.
Một điều bất thường về tĩnh điện là nó dễ sản xuất nhất bằng cách sử dụng các vật liệu hạn chế điện được gọi là chất cách điện; 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 - điện tử 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; họ kiếm được tên của họ bằng cách ức chế dòng điện tử.
Mizzi và các đồng nghiệp của mình đã phát hiện ra rằng tĩnh điện được tạo ra khi các cường độ trong chất cách điện cọ sát vào nhau và cản trở các đám mây điện tử. Vì các electron trong chất cách điện không thể di chuyển dễ dàng, nên sự cọ xát có thể làm cong các đám mây điện tử ra khỏi hình dạng.
Trong các vật liệu đó, đám mây electron xung quanh các nguyên tử thường đối xứng. Khi bạn nhìn vào những đám mây này, bạn "không thể biết từ trên xuống, từ trái sang phải", Mizzi nói.
Nhưng nếu bạn bóp đám mây điện tử đó, nó sẽ biến dạng, trở nên bất đối xứng. Trong trường hợp phù hợp, hình dạng mới đó có thể phân phối điện áp không đều trên vật liệu, Mizzi giải thích.
Điều này có liên quan gì đến vớ len trên thảm? Khi bạn đi trong những đôi giày 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 trượt so với các sợi trên thảm. Khi hai vật liệu cọ sát vào nhau như thế này, các va đập trên một bề mặt kéo dọc theo các lỗ hổng trên bề mặt đối diện, khiến chúng bị uốn cong. Khi sự uốn cong này xảy ra, các đám mây điện tử trong các nguyên tử tạo nên các thiên hà 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 tăng lên. Các thiên hà rất nhiều đến nỗi các đám mây điện tử gây ra sự tích tụ đáng kể của tĩnh điện - một thứ đủ mạnh để bạn cảm nhận được nó khi bạn chạm vào tay nắm cửa hoặc bắt tay ai đó.
Sự hiểu biết mới về điện tĩnh này có thể ảnh hưởng đến các nhà khoa học 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. Và với sự hiểu biết tốt hơn về việc vật liệu nào không tạo ra tĩnh điện dễ dàng, các kỹ sư có thể làm việc để tạo ra môi trường sản xuất an toàn hơn, ví dụ bằng cách loại bỏ các hạt bụi có thể gây ra hỏa hoạn bằng cách cọ xát vào nhau.
"Khi bạn có một mô hình, bạn có thể bắt đầu đưa ra dự đoán", Mizzi nói.
