Thí nghiệm về hiện tượng tĩnh điện

Vật liệu nào dẫn tĩnh điện tốt nhất?

Cảm giác khó chịu khi lập tức bị “giật” sau khi bạn đi qua một tấm thảm hay chạm vào tay nắm cửa. Hay cảm giác tóc của bạn xảy ra điều tương tự khi bạn giật nhanh chiếc nón len khỏi đầu mình. Nhưng đó có phải là tĩnh điện, và vì sao nó gây nên những hiện tượng này?

Trong phần này, bạn không chỉ tìm hiểu về hiện tượng tĩnh điện, mà còn về một thí nghiệm thú vị liên quan đến hiện tượng này và bạn có thể thực hiện với một thiết bị đơn giản mà bạn tạo ra gọi là máy đo điện. Bạn sẽ sử dụng máy đo điện để phát hiện điện tích.

Vậy đâu là vấn đề?

Vấn đề mà bạn đang cố giải thích là cách mà một vài vật thể cho đi electrons của mình cho vật thể khác. Việc này liên quan đến hiện tượng tĩnh điện như thế nào?

Trong thế giới khoa học kì thú, có sự hiện diện của các protons, neutrons và electrons. Protons và neutrons là các hạt phân tử cực nhỏ trong hạt nhân của nguyên tử.

Protons và neutrons là các hạt phân tử cực nhỏ trong hạt nhân của nguyên tử. Electrons là các hạt nhỏ hơn nữa và có quỹ đạo di chuyển xung quanh nguyên tử.

Nguyên tử là thành phần nhỏ nhất của một chất. Một khối bạc, có được chia làm hai, làm bốn, và được chia thành nhiều phần nhỏ hơn chỉ trong phút chốc, cho đến khi một mành nhỏ đến mức nếu nó được chia ra thì nó sẽ không còn là bạc nữa. Thành phần nhỏ nhất đó được gọi là nguyên tử.

Ở trung tâm mỗi nguyên tử là hạt nhân. Đó là nơi mà các protons và neutrons hoạt động. Mặt khác, các electrons còn có kích thước nhỏ hơn các protons và neutrons, và có quỹ đạo di chuyển xung quanh hạt nhân nguyên tử.

Điện tích

Các protons, neutrons và electrons có tính chất khác nhau. Trong thí nghiệm, sự khác nhau trong tính chất sẽ ảnh hưởng đến điện tích của mỗi hạt.

Các protons có điện tích dương (+), các electrons có diện tích âm (-) và các neutrons không có diện tích. Khi nguyên tử có số protons và electrons bằng nhau thì nguyên tử đó trung hòa về điện tích, bởi vì các hạt protons mang điện tích dương bằng số hạt electrons mang điện tích âm, nói tóm gọn là các hạt bù trừ lẫn nhau.

Trong khi các protons và neutrons liên kết với nhau tại hạt nhân nguyên tử, các electrons thường xuyên chuyển dộng và không hề dừng lại. Chúng chuyển dộng xung quanh hạt nhân là thỉnh thoảng chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Khi hiện tượng này xảy ra, nó gây ra mất cân bằng điện tích ở mỗi nguyên tử. Hãy nhớ rằng, một nguyên tử cân bằng về điện tích phải có số protons và electrons bằng nhau. Khi các electrons di chuyển sang một nguyên tử khác, sự cân bằng sẽ mất đi.

Nguyên tử mất đi electrons sẽ có diện tích dương vì lúc này số protons nhiều hơn số electrons. Nguyên tử nhận electrons sẽ có diện tích âm vì lúc này số electrons nhiều hơn số prostons.

Và khi một nguyên tử không có protons hay không có electrons, đó sẽ không còn một nguyên tử và được biết đến là một ion.

Một vài vật liệu giữ các electrons rất gần nhau, khiến các electrons không dể dàng di chuyển xuyên qua các vật chất này. Các vật chất này được gọi là chất cách điện. Các vật chất cho phép các electrons dễ dàng đi qua được gọi là chất dẫn điện. Lụa là chất cách điện tốt, trong khi kim loại nói chung là chất dẫn điện tốt.

Electrons và Hiện tượng tĩnh điện

Việc các electrons di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác là hiện tượng bình thường, chúng diễn ra thường xuyên khi hai vật bắt đầu ma sát vào nhau. Khi giữa hai vật xảy ra ma sát quá nhiều, nhiều electrons sẽ di chuyển qua lại và bắt đầu tích điện. Hiện tượng tĩnh điện đơn giản là sự mất cân bằng giữa các điện tích âm và dương.

Ý tiếp theo cần hiểu là các chất khác điện tích thì hút nhau, trong khi các chất cùng điện tích thì đẩy nhau ra. Khi bạn cởi nón len và tóc bạn trở nên dựng đứng, đó là bởi vì nguyên tắc này.

Các electrons trên tóc bạ ma sát với chiếc nón khi bạn cởi nón len, các electrons lúc này di chuyển khỏi tóc và tóc bạn sẽ có điện tích dương. Mỗi sợi tóc lại cố gắng đẩy những sợi tóc có cùng điện tích, dẫn đến tóc có hiện tượng lơ lửng và dựng đứng lên. Hiện tượng tĩnh điện là sự mất cân bằng giữa các điện tích dương và âm.

Bây giờ hãy quay lại thí nghiệm này, bạn sẽ cố gắng tìm ra những vật chất nào sẵn sàng cho đi electrons và bắt đầu tích điện. Hãy nhớ rằng các chất cách điện sẽ không dễ dàng cho đi electrons như các chất dẫn điện.

Ngoài tiêu đề “Vật liệu nào dẫn tĩnh điện tốt nhất?”, bạn có thể chọn theo các tiêu đề dưới đây:

• Các Electrons thay đổi điện tích như thế nào?
• Tìm hiểu Hiện tượng tĩnh điện
• Sử dụng thiết bị đo điện để phát hiện điện tích

Một khi đã hiểu nguyên lý của Hiện tượng tĩnh điện, bạn có thể suy nghĩ về những ứng dụng hàng ngày qua dự án này.

Thực hiện thí nghiệm để làm gì?

Bạn đã hiểu vì sao tóc bạn lại dựng đứng khi cởi nón len, vậy thì sao?

Việc hiểu được Hiện tượng tích điện quan trọng với nhiều lý do, điều này giúp ta hiểu được cách thế giới vận hành và tại sao một vài sự kiện lại diễn ra.

Bạn có nhận ra rằng hầu hết các hiện tượng tĩnh điện đều diễn ra vào mùa đông? Và ngay cả khi bạn không cởi nón, thì tóc của bạn có xu hướng dựng đứng khi ngoài trời lạnh hay không?

Bởi vì thời tiết vào mùa đông thường rất khô trong khi không khí mùa hè thường khá ẩm, và hiện tượng xảy ra là hơi nước trong không khí mùa hè giúp các electrons nhanh chóng di chuyển khỏi cơ thể. Nước là chất dẫn điện tốt.

Khi electrons di chuyển khỏi cơ thể, cơ thể sẽ không tích tụ lượng điện tích lớn. Tuy nhiên vào mùa đông, khi các electrons tụ lại trên cơ thể, cơ thể sẽ tích tụ lượng lớn điện tích âm. Vì thế, khi bạn đi qua tấm thảm, các electrons từ tấm thảm di chuyển vào tích tụ trên cơ thể. Và khi chạm vào tay nắm cửa, các electrons di chuyển từ cơ thể sang tay nắm cửa (kim loại là chất dẫn điện tốt), làm bạn bị giật.

Các vật tích điện xuất ra từ trường điện vô hình bao quanh chúng. Sức mạnh của các từ trường phù thuộc vào nhiều yếu tố. Quay lại những năm 1780s, nhà khoa học tên Charles Coulomb đã nghiên cứu và mô tả các từ trường nay. Công thức để xác định sức mạnh của những từ trường này gọi là Định luật Coulomb.

Trong thí nghiệm này, ta sẽ sử dụng thiết bị đo điện để xác định vật chất nào sẽ tích tụ và truyền dẫn điện tốt nhất. Vật chất chính của chúng ta sẽ là giấy nhôm chưa tích điện và các chất khác có thể sử dụng là các vật dụng hàng ngày, có thể được tìm thấy quanh nhà.

Bạn nghĩ chuyện gì sẽ xảy ra?

Bạn chắc đã có những hiểu biết cơ bản về cách mà hiện tượng tĩnh điện diễn ra thế nào và cách mà thí nghiệm này sẽ hoạt động.

Trong thí nghiệm này, bạn sẽ kiểm tra cách mà một vài vật chất truyền dẫn electrons tốt như thế nào với giấy nhôm được sử dụng như thiết bị dò.

Trong suốt thí nghiệm, ta sẽ truyền dẫn các electrons từ vật này sang vật khác bằng cách chà sát một cây thước nhựa dẻo lên các vật liệu khác nhau. Cây thước này sẽ đóng vai trò là chất cách điện của các electrons lên giấy nhôm.

Khi chà sát cây thước lên những vật khác nhau, nó sẽ lấy đi các electrons từ vật đó hoặc sẽ cho vật đó các electrons của mình. Nếu cây thước lấy đi các electrons, cây thước sẽ mang điện tích âm.  Nếu cây thước cho đi electrons, nó sẽ mang điện tích dương.

Để đưa ra giả thuyết, hãy thực hiện những thí nghiệm và suy nghĩ xem theo bạn thì vật liệu nào sẽ có khả năng chuyển electrons của mình cho cây thước. Bạn có linh cảm rằng một vài vật liệu sẽ làm việc đó hiệu quả hơn không?

Hãy thử đưa ra suy đoán rồi bắt đầu thí nghiệm này.

Những vật liệu mà bạn cần cho Dự án này

Một thiết bị đo điện là thiết bị cho phép phát hiện dòng điện. Có nhiều loại thiết bị đo điện khác nhau, có nhiều thiết bị chuyên dụng mà bạn có thể mua từ các nhà cung cấp thiết bị khoa học và mội vài thiết bị đơn giản ma bạn có thể tự tạo ra.

Bạn sẽ cần bốn thứ để có thể làm ra một thiết bị đo điện đơn giản, gồm:

• Một cốc nhỏ (thủy tinh hoặc giấy)
• Một ống hút nhựa có thể bẻ được
• Băng keo
• Tấm giấy nhôm

Những vật liệu khác bạn sẽ cần để thực hiện thí nghiệm đều đã được nhắc đến ở phần trước:

• Một cây thước nhựa dẻo
• Vải
• Lụa
• Bông
• Giấy báo
• Thảm trải

Nếu không có được những vật liệu như trên, hãy tự do thay thế với những vật liệu mà bạn có. Một điều tuyệt vời ở thí nghiệm này là bạn có thể không cần mua bất kì thứ gì. Nếu có, thì bạn chỉ cần tốn từ một đến hai đô la (~20000-40000vnd).

Thí nghiệm này sẽ có kết quả rõ rệt hơn khi thực hiện vào những ngày có thời tiết khô và mát mẻ so với những ngày có thời tiết nóng ẩm. Nên thực hiện thí nghiệm này trong nhà vào những ngày có thời tiết nóng để có được điều kiện thực hiện lý tưởng hơn.

Thực hiện thí nghiệm

Trước khi bắt đầu thí nghiệm, bạn sẽ làm ra thiết bị đo điện. Đừng lo lắng – thiết bị đo điện này rất dễ tạo.

 

Thiết bị đo điện.

Thực hiện các bước sau:

1. Đặt ống hút vào cốc, phần bẻ được của ống hút hướng lên trên.

2. Cắt hai mảnh giấy nhôm, kích thước khoảng: 6 cm chiều dài và 1 cm chiều rộng.

3. Dán những miếng giấy nhôm vào phần bẻ được của ống hút, dán chúng gần nhau nhưng không được chạm vào nhau. Chúng nên được dán thẳng xuống từ phần bẻ được của ống hút.

Thiết bị đo diện đã sẵn sàng và ta có thể bắt đầu bước tiếp theo của thí nghiệm.

4. Chà sát cây thước vào vải, và đưa lại gần giấy nhôm nhưng không được chạm vào. Chà sát cây thước với lụa sẽ làm các elctrons trên cây thước mất đi, cây thước lúc này sẽ mang điện tích dương. Tuy nhiên với vải, các electrons từ vải sẽ di chuyển qua cây thước, dẫn đến việc cây thước lúc này sẽ mang điện tích âm. Bạn có thể thử với bất kì vật liệu nào để kiểm tra xem vật liệu đó cho hay mất đi các electrons.

5. Ghi lại những gì bạn quan sát được, ghi chú những vật liệu mà bạn đã dùng và những phản ứng với mảnh giấy nhôm.

6. Lặp lại các bước 4 và 5 với từng vật liệu khác nhau. Ghi lại những vật liệu nào đã hút giấy nhôm và những vật liệu nào đã đẩy giấy nhôm ra. Nhận ra rằng các mảnh giấy nhôm trung tính có thể hút bởi cây thước đang mang điện tích và sẽ đẩy cây thước ra trong một hay hai giậy kế tiếp. Việc này có thể xảy ra khi mảnh nhôm nhận thêm các electrons từ cây thước, lúc này 2 vật có dùng điện tích nên đẩy nhau ra.

7. Lặp lại toàn bộ thí nghiệm ba lần, nhưng cần một tiếng nghỉ giữa các làn thực hiện để mảnh giấy nhôm lấy lại cân bằng. Cố gắng đảm bảo môi trường xung quanh thí nghiệm luôn giống nhau.

Đảm bảo các ghi chép của bạn luôn chính xác khi thí nghiệm với mỗi vật liệu.

Theo dõi thí nghiệm

Bạn có thể dùng bảng sau để theo dõi quá trình thí nghiệm. Hoặc bạn có thể tự lập ra bảng theo dõi của riêng mình, tương tự nếu bạn muốn.

Bảng theo dõi.

Tóm lại

Một khi bạn đã thử nghiệm với các vật liệu khác nhau để xem vật liệu nào dẫn tĩnh điện tốt nhất, bạn sẽ biết được vật liệu nào cho đi electrons và vật liệu nào nhận electrons.

Theo dõi và kiểm tra cẩn thận để xem vật liệu nào phản ứng tót nhất với mảnh giấy nhôm.

Tìm hiểu sâu hơn

Nếu bạn hứng thú với thí nghiệm này, có nhiều thí nghiệm khác mà bạn có thể thực hiện để khám phá hiện tượng tĩnh điện và sự di chuyển của các elcetrons.

Môt thí nghiệm vui có thể được thực hiện với các tấm thảm xung quang nhà bạn. Quan sát cây thước sẽ phản ứng thế nào với giấy nhôm khi chà sát cây thước với từng tấm thảm khác nhau trong nhà của mình.

Một thí nhiệm vui khác là bạn có thể tích một lượng tĩnh điện vừa phải trên một trái bóng bay hoặc một vật thể khác để “uốn cong” dòng nước. Bạn chỉ đơn giản mở vòi nước chảy với tia nước vô cùng mỏng và thực hiện thí nghiệm thôi.

Chà sát bóng bay với áo len, thú nhồi bông, hay những vật thể có lông khác, và giữ quả bóng gần với dòng nước. Dòng nước không mang điện tích, sẽ bị hút bởi bóng bay mang điện tích và uốn cong theo hướng quả bóng.

 

Theo www.teachervision.com