Tĩnh điện có thể làm được những gì?

10

KVANT 2010/№2

Tĩnh điện có thể làm được những gì?

K. BOGDANOV

…Mọi dự đoán về tĩnh điện đều tuân theo hai định luật của nó. Nhưng diễn đạt những điều này một cách toán học là một chuyện, áp dụng chúng một cách dễ dàng và đúng mức lại là chuyện khác. Richard Feynman

TĨNH ĐIỆN NGHIÊN CỨU SỰ TƯƠNG TÁC giữa các điện tích đứng yên. Các thí nghiệm quan trọng về tĩnh điện được thực hiện vào thế kỷ 17 và 18. Với việc phát hiện ra các hiện tượng điện từ và cuộc cách mạng về công nghệ mà chúng tạo ra, sự quan tâm đến tĩnh điện đã mất đi trong một thời gian. Tuy nhiên, nghiên cứu khoa học hiện đại cho thấy tầm quan trọng to lớn của tĩnh điện trong việc tìm hiểu nhiều quá trình của thiên nhiên sống và không sống.

Tĩnh điện và cuộc sống

Năm 1953, các nhà khoa học Mỹ S. Miller và G. Ury đã chỉ ra rằng một trong những “khối xây dựng của sự sống” - axit amin - có thể thu được bằng cách truyền một dòng điện qua một loại khí có thành phần tương tự như bầu khí quyển nguyên thủy của Trái đất, bao gồm metan, amoniac, hydro và hơi nước. Trong 50 năm tiếp theo, các nhà nghiên cứu khác đã lặp lại những thí nghiệm này và thu được kết quả tương tự. Khi các xung dòng điện ngắn truyền qua vi khuẩn, các lỗ chân lông xuất hiện trên vỏ (màng) của chúng, qua đó các đoạn DNA của vi khuẩn khác có thể đi vào, kích hoạt một trong các cơ chế tiến hóa. Do đó, năng lượng cần thiết cho nguồn gốc sự sống trên Trái đất và sự tiến hóa của nó thực sự có thể là năng lượng tĩnh điện của quá trình phóng điện sét (hình1).

Hình 1. Sét đánh

01-.p65

Tĩnh điện gây ra sét như thế nào

Tại bất kỳ thời điểm nào, có khoảng 2.000 tia sét ở các điểm khác nhau trên Trái đất, khoảng 50 tia sét đánh vào Trái đất mỗi giây và mỗi km vuông bề mặt Trái đất bị sét đánh trung bình sáu lần một năm. Trở lại thế kỷ 18, Benjamin Franklin đã chứng minh rằng sét đánh từ đám mây giông là sự phóng điện truyền điện tích âm xuống Trái đất. Hơn nữa, mỗi lần phóng điện cung cấp cho Trái đất vài chục coulomb điện và biên độ dòng điện khi bị sét đánh dao động từ 20 đến 100 kiloamper. Chụp ảnh tốc độ cao cho thấy một tia sét chỉ kéo dài một phần mười giây và mỗi tia sét gồm nhiều tia sét ngắn hơn. Sử dụng các thiết bị đo lắp đặt trên tàu thăm dò khí quyển, vào đầu thế kỷ 20, người ta đã đo điện trường Trái đất, cường độ của nó ở bề mặt xấp xỉ 100 V/m, tương ứng với tổng điện tích của hành tinh khoảng 400.000 C. Chất mang điện trong khí quyển Trái đất là các ion, nồng độ của chúng tăng theo độ cao và đạt cực đại ở độ cao 50 km, trong đó dưới tác động của bức xạ vũ trụ, chất dẫn điện là chất dẫn điện. lớp đã hình thành - tầng điện ly. Vì vậy, có thể nói điện trường của Trái đất là điện trường của một tụ điện hình cầu có điện áp đặt vào khoảng 400 kV. Dưới tác động của điện áp này, một dòng điện 2–4 kA luôn chạy từ lớp trên xuống lớp dưới, mật độ của nó là (1 - 2) ◊ $10^{-} 12$ A $м^{2}$ và năng lượng được giải phóng lên tới 1,5 GW. Và nếu không có sét thì điện trường này sẽ biến mất! Hóa ra khi thời tiết tốt, tụ điện của Trái đất sẽ phóng điện và khi có giông bão, nó sẽ được tích điện. Đám mây giông là một lượng hơi nước khổng lồ, một số trong đó đã ngưng tụ thành những giọt nhỏ hoặc những tảng băng. Đỉnh của đám mây giông có thể ở độ cao 6–7 km và phía dưới có thể lơ lửng trên mặt đất ở độ cao 0,5–1 km. Trên 3–4 km, các đám mây bao gồm các tảng băng có kích thước khác nhau, vì nhiệt độ ở đó luôn dưới 0. Những mảnh băng này chuyển động liên tục, gây ra bởi dòng không khí ấm áp bốc lên từ bên dưới từ bề mặt nóng lên của trái đất. Những mảnh băng nhỏ nhẹ hơn những mảnh băng lớn và chúng bị cuốn đi bởi các luồng không khí dâng cao và va chạm với những mảnh băng lớn trên đường đi. Với mỗi va chạm như vậy, quá trình điện hóa xảy ra, trong đó những mảnh băng lớn tích điện âm và những mảnh nhỏ tích điện dương. Theo thời gian, những mảnh băng nhỏ tích điện dương tích tụ lại -

12

KVANT 2010/№2

nguồn gốc tự nhiên. Luật sư trẻ lập luận rằng mọi thứ giúp cứu mạng đều là vì lợi ích. Anh ta đã thắng kiện và đạt được danh tiếng lớn. Tên luật sư là… Maximilian Robespierre. Chà, hiện nay bức chân dung của người phát minh ra cột thu lôi là bản sao được thèm muốn nhất trên thế giới, bởi vì nó tô điểm cho tờ một trăm đô la nổi tiếng.

Tĩnh điện mang lại sự sống

Năng lượng từ việc phóng điện của tụ điện không chỉ dẫn đến sự xuất hiện của sự sống trên Trái đất mà còn có thể khôi phục sự sống cho những người có tế bào tim đã ngừng co bóp đồng bộ. Sự co bóp không đồng bộ (hỗn loạn) của các tế bào tim được gọi là rung tim. Rung tim có thể được dừng lại bằng cách truyền một xung điện ngắn qua tất cả các tế bào của nó. Để làm điều này, hai điện cực được đặt vào ngực bệnh nhân, qua đó một xung được truyền với thời lượng khoảng 10 mili giây và biên độ lên tới vài chục ampe. Trong trường hợp này, năng lượng phóng điện qua ngực có thể đạt tới 400 J (bằng thế năng của một trọng lượng pound được nâng lên độ cao 2,5 m). Một thiết bị tạo ra cú sốc điện làm ngừng rung tim được gọi là máy khử rung tim. Máy khử rung tim đơn giản nhất là một mạch dao động bao gồm một tụ điện có công suất 20 μF và một cuộn dây có độ tự cảm 0,4 H. Bằng cách sạc tụ điện đến điện áp 1–6 kV và phóng điện qua cuộn dây và bệnh nhân, có điện trở khoảng 50 Ohms, bạn có thể thu được xung dòng điện cần thiết để đưa bệnh nhân sống lại.

Tĩnh điện cho ánh sáng

Đèn huỳnh quang có thể đóng vai trò là dụng cụ đo cường độ điện trường thuận tiện. Để xác minh điều này, ở trong phòng tối,

Hình 5. Ánh sáng rực rỡ của đèn huỳnh quang bám xuống đất dưới đường dây điện cao thế

01-.p65

Đầu tiên, chà đèn bằng khăn hoặc khăn quàng cổ - kết quả là bề mặt bên ngoài của kính đèn sẽ tích điện dương và vải - âm. Ngay khi điều này xảy ra, chúng ta sẽ thấy những tia sáng xuất hiện ở những chỗ của đèn mà chúng ta chạm vào một miếng vải tích điện. Các phép đo cho thấy cường độ điện trường bên trong đèn huỳnh quang đang hoạt động là khoảng 10 V/m. Ở cường độ này, các electron tự do có năng lượng cần thiết để ion hóa các nguyên tử thủy ngân bên trong đèn huỳnh quang. Điện trường dưới đường dây điện cao thế - đường dây điện - có thể đạt giá trị rất cao. Vì vậy, nếu ban đêm đèn huỳnh quang cắm xuống đất dưới đường dây điện sẽ sáng và khá sáng (hình5). Vì vậy, bằng cách sử dụng năng lượng của trường tĩnh điện, bạn có thể chiếu sáng không gian dưới đường dây điện.

Cách tĩnh điện cảnh báo cháy và làm sạch khói

Trong hầu hết các trường hợp, khi chọn loại đầu báo cháy, người ta ưu tiên sử dụng đầu báo khói, vì đám cháy thường đi kèm với việc giải phóng một lượng lớn khói và chính loại đầu báo này có thể cảnh báo những người trong tòa nhà về mối nguy hiểm. Đầu báo khói sử dụng nguyên lý ion hóa hoặc quang điện để phát hiện khói trong không khí. Đầu báo khói ion hóa chứa nguồn bức xạ $\alpha$ (thường là americium-241) làm ion hóa không khí giữa các tấm điện cực kim loại, điện trở giữa chúng được đo liên tục bằng một mạch đặc biệt. Các ion được hình thành do bức xạ $\alpha$ cung cấp độ dẫn điện giữa các điện cực và các vi hạt khói xuất hiện ở đó liên kết với các ion, trung hòa điện tích của chúng và do đó làm tăng điện trở giữa các điện cực, khiến mạch điện phản ứng bằng cách phát ra âm thanh báo động. Các cảm biến dựa trên nguyên tắc này thể hiện độ nhạy rất ấn tượng, phản ứng ngay cả trước khi sinh vật sống phát hiện ra dấu hiệu khói đầu tiên. Cần lưu ý rằng nguồn bức xạ được sử dụng trong cảm biến không gây nguy hiểm cho con người, vì tia alpha thậm chí không thể xuyên qua một tờ giấy và bị hấp thụ hoàn toàn bởi một lớp không khí dày vài cm. Khả năng nhiễm điện của các hạt bụi được sử dụng rộng rãi trong các máy hút bụi tĩnh điện công nghiệp. Ví dụ, một loại khí chứa các hạt bồ hóng bay lên trên đi qua lưới kim loại tích điện âm, do đó các hạt này mang điện tích âm. Tiếp tục bay lên trên, các hạt nằm trong điện trường của các tấm tích điện dương, chúng bị hút vào đó, sau đó các hạt rơi vào các thùng chứa đặc biệt, từ đó chúng được loại bỏ định kỳ.