ไฟฟ้าสถิตย์สามารถก่อให้เกิดปัญหามากกว่าวันที่ผมเสียได้

ไฟฟ้าสถิตเป็นส่วนหนึ่งของชีวิตประจำวัน ทุกสิ่งอยู่รอบตัวเรา บางครั้งก็ตลกและชัดเจน เช่น ทำให้ผมของคุณยืนตรง บางครั้งก็ซ่อนอยู่และมีประโยชน์ เช่น เมื่อถูกควบคุมโดยอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในโทรศัพท์มือถือของคุณ ฤดูหนาวที่แห้งแล้งเป็นช่วงไฮซีซั่นสำหรับข้อเสียที่น่ารำคาญของไฟฟ้าสถิตย์ — กระแสไฟฟ้าเช่นฟ้าผ่าเล็กๆเมื่อใดก็ตามที่คุณสัมผัสลูกบิดประตูหรือผ้าห่มอุ่น ๆ ที่สดใหม่จากเครื่องอบผ้า

ไฟฟ้าสถิตเป็นหนึ่งในปรากฏการณ์ทางวิทยาศาสตร์ที่เก่าแก่ที่สุดที่ผู้คนสังเกตและอธิบาย นักปรัชญาชาวกรีกThales of Miletusสร้างบัญชีแรก ในงานเขียนสมัยศตวรรษที่ 6 ก่อนคริสตศักราช เขาตั้งข้อสังเกตว่าหากถูอำพันจนแข็งพอ ฝุ่นละอองขนาดเล็กจะเริ่มเกาะติดกับอำพัน สามร้อยปีต่อมาTheophrastus ได้ติดตามการทดลองของ Thales โดยการถูหินชนิดต่างๆ และสังเกตเห็น "พลังแห่งการดึงดูด" แต่นักปรัชญาธรรมชาติเหล่านี้ไม่พบคำอธิบายที่น่าพอใจสำหรับสิ่งที่พวกเขาเห็น

ต้องใช้เวลาอีกเกือบ 2,000 ปีก่อนที่คำว่า "ไฟฟ้า" ในภาษาอังกฤษจะถูกสร้างขึ้นเป็นครั้งแรก โดยใช้ภาษาละตินว่า "electricus" ซึ่งแปลว่า " เหมือนอำพัน " การทดลองที่มีชื่อเสียงที่สุดบางส่วนดำเนินการโดยเบนจามิน แฟรงคลินในการแสวงหาความเข้าใจกลไกพื้นฐานของกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นหนึ่งในเหตุผลที่ใบหน้าของเขายิ้มจากธนบัตร 100 ดอลลาร์ ผู้คนตระหนักถึงประโยชน์ของไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว

แน่นอน ในศตวรรษที่ 18 คนส่วนใหญ่ใช้ไฟฟ้าสถิตย์ในการแสดงมายากลและการแสดงอื่นๆ ตัวอย่างเช่นการทดลอง " เด็กบิน " ของสตีเฟน เกรย์กลายเป็นการสาธิตสาธารณะที่ได้รับความนิยม: เกรย์ใช้โถเลย์เดนเพื่อชาร์จพลังเยาวชน ห้อยจากสายไหม แล้วแสดงให้เห็นว่าเขาสามารถเปลี่ยนหน้าหนังสือด้วยไฟฟ้าสถิตหรือยกของเล็กๆ ได้อย่างไร โดยใช้แรงดึงดูดแบบสถิต

จากข้อมูลเชิงลึกของแฟรงคลิน รวมถึงการตระหนักว่าประจุไฟฟ้ามีทั้งรสชาติบวกและลบ และประจุทั้งหมดนั้นจะถูกอนุรักษ์ไว้เสมอ ตอนนี้เราเข้าใจในระดับอะตอมแล้วว่าอะไรเป็นสาเหตุของแรงดึงดูดจากไฟฟ้าสถิต เหตุใดจึงทำให้เกิดสายฟ้าขนาดเล็ก และวิธีควบคุม สิ่งที่อาจสร้างความรำคาญให้กับการใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ต่างๆ

ประกายไฟเล็ก ๆ เหล่านี้คืออะไร?

ไฟฟ้าสถิตลงมาแรงโต้ตอบระหว่างค่าใช้จ่ายไฟฟ้าในระดับอะตอม ประจุลบถูกพาโดยอนุภาคมูลฐานขนาดเล็กที่เรียกว่าอิเล็กตรอน อิเล็กตรอนส่วนใหญ่ถูกบรรจุอย่างเรียบร้อยภายในส่วนใหญ่ของสสาร ไม่ว่าจะเป็นหินที่แข็งและไม่มีชีวิต หรือเนื้อเยื่ออ่อนที่มีชีวิตในร่างกายของคุณ อย่างไรก็ตาม อิเล็กตรอนจำนวนมากยังนั่งอยู่บนพื้นผิวของวัสดุใดๆ วัสดุแต่ละชนิดจับอิเลคตรอนบนพื้นผิวเหล่านี้โดยมีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันออกไป หากวัสดุสองชนิดถูกัน อิเล็กตรอนจะถูกดึงออกจากวัสดุที่ "อ่อนแอกว่า" และพบว่าตัวเองอยู่บนวัสดุที่มีแรงยึดเหนี่ยวที่แข็งแรงกว่า

การถ่ายเทอิเล็กตรอนนี้ — สิ่งที่เรารู้ว่าเป็นประกายของไฟฟ้าสถิต — เกิดขึ้นตลอดเวลา ตัวอย่างที่น่าอับอายคือ เด็กๆ เล่นสไลด์เดอร์ในสนามเด็กเล่น ถูเท้าไปมาบนพรม หรือมีคนถอดถุงมือขนสัตว์เพื่อจับมือ

แต่เราทราบผลกระทบที่มีบ่อยครั้งมากขึ้นในเดือนที่แห้งของฤดูหนาวเมื่ออากาศมีต่ำมากความชื้น อากาศแห้งเป็นฉนวนไฟฟ้า ในขณะที่อากาศชื้นทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้น: ในอากาศแห้ง อิเล็กตรอนจะติดกับพื้นผิวด้วยแรงยึดเหนี่ยวที่แรงกว่า ต่างจากตอนที่อากาศชื้น พวกเขาไม่สามารถหาทางไหลกลับไปยังพื้นผิวที่มันมาจากไหน และพวกเขาไม่สามารถทำให้การกระจายของประจุมีความสม่ำเสมออีกครั้ง

ประกายไฟจากไฟฟ้าสถิตเกิดขึ้นเมื่อวัตถุที่มีอิเล็กตรอนเชิงลบมากเกินไปมาใกล้วัตถุอื่นที่มีประจุลบน้อยกว่า และอิเล็กตรอนส่วนเกินมีขนาดใหญ่พอที่จะทำให้อิเล็กตรอน "กระโดด" อิเล็กตรอนจะไหลจากจุดที่พวกเขาสร้างขึ้น เช่นเดียวกับคุณหลังจากเดินบนพรมขนสัตว์ ไปยังสิ่งต่อไปที่คุณสัมผัสซึ่งไม่มีอิเล็กตรอนมากเกินไป เช่น ลูกบิดประตู

เมื่ออิเล็กตรอนไม่มีที่ไป ประจุจะสะสมบนพื้นผิว จนกระทั่งถึงค่าสูงสุดวิกฤตและคายประจุออกมาในรูปของสายฟ้าขนาดเล็ก ให้อิเล็กตรอนมีที่ที่ควรไป เช่น กางนิ้วออก และคุณจะสัมผัสได้ถึงแรงปะทะ

พลังของมินิสปาร์ก

แม้ว่าบางครั้งจะน่ารำคาญ แต่ปริมาณประจุไฟฟ้าสถิตมักจะค่อนข้างน้อยและค่อนข้างไร้เดียงสา แรงดันไฟฟ้าสามารถเป็นประมาณ 100 เท่าของแรงดันไฟฟ้าของเต้ารับไฟฟ้าทั่วไป อย่างไรก็ตาม แรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่เหล่านี้ไม่มีอะไรต้องกังวล เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าเป็นเพียงการวัดความแตกต่างของประจุระหว่างวัตถุ ปริมาณ "อันตราย" เป็นกระแสซึ่งบอกจำนวนอิเล็กตรอนที่ไหล เนื่องจากโดยปกติแล้วจะมีการส่งอิเล็กตรอนเพียงไม่กี่ตัวในการคายประจุไฟฟ้าสถิต zaps เหล่านี้จึงไม่เป็นอันตรายอย่างยิ่ง

อย่างไรก็ตาม ประกายไฟเล็กๆ เหล่านี้อาจส่งผลเสียต่ออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อน เช่น ส่วนประกอบฮาร์ดแวร์ของคอมพิวเตอร์ กระแสน้ำขนาดเล็กที่มีอิเลคตรอนเพียงไม่กี่ตัวก็เพียงพอที่จะทอดพวกมันโดยไม่ได้ตั้งใจ นั่นเป็นเหตุผลที่คนงานในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ต้องถูกต่อสายดิน ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นการเชื่อมต่อแบบมีสายกับอิเล็กตรอนที่ดูเหมือน "บ้าน" บนทางหลวงที่ว่างเปล่า การต่อสายดินเองก็ทำได้ง่ายเช่นกัน โดยการสัมผัสชิ้นส่วนโลหะหรือถือกุญแจไว้ในมือ โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีมาก ดังนั้นอิเล็กตรอนจึงค่อนข้างมีความสุขที่จะไปที่นั่น

ภัยคุกคามที่ร้ายแรงกว่านั้นคือการปล่อยกระแสไฟฟ้าในบริเวณใกล้เคียงกับก๊าซไวไฟ นี่คือเหตุผลที่แนะนำให้ลงกราวด์ตัวเองก่อนสัมผัสปั๊มที่ปั๊มน้ำมัน คุณไม่ต้องการให้ประกายไฟหลงทางเพื่อเผาไหม้ไอน้ำมันเบนซินที่หลงทาง หรือคุณสามารถลงทุนในประเภทของสายรัดข้อมือป้องกันไฟฟ้าสถิตย์ที่คนงานในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ใช้กันอย่างแพร่หลาย เพื่อสร้างความปลอดภัยให้กับบุคคล ก่อนที่พวกเขาจะทำงานกับชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีความละเอียดอ่อนมาก ป้องกันไฟฟ้าสถิตย์โดยใช้ริบบิ้นนำไฟฟ้าที่พันรอบข้อมือของคุณ

ในชีวิตประจำวัน วิธีที่ดีที่สุดในการลดการสะสมของประจุคือการใช้เครื่องทำความชื้นเพื่อเพิ่มปริมาณความชื้นในอากาศ นอกจากนี้ การทำให้ผิวของคุณชุ่มชื้นโดยการใช้มอยเจอร์ไรเซอร์สามารถสร้างความแตกต่างได้อย่างมาก แผ่นอบผ้าช่วยป้องกันไม่ให้ประจุสะสมในขณะที่เสื้อผ้าของคุณปั่นแห้งโดยทาน้ำยาปรับผ้านุ่มปริมาณเล็กน้อยให้ทั่วผ้า อนุภาคบวกเหล่านี้จะปรับสมดุลอิเลคตรอนที่หลวม และประจุที่มีประสิทธิผลจะทำให้เป็นโมฆะ ซึ่งหมายความว่าเสื้อผ้าของคุณจะไม่โผล่ออกมาจากเครื่องอบผ้าที่ติดกัน คุณสามารถถูน้ำยาปรับผ้านุ่มบนพรมเพื่อป้องกันการสะสมของประจุด้วย สุดท้าย การใส่เสื้อผ้าฝ้ายและรองเท้าหุ้มส้นหนังดีกว่าเสื้อผ้าขนสัตว์และรองเท้าพื้นยาง

การควบคุมไฟฟ้าสถิตย์

แม้จะมีความรำคาญและอันตรายที่อาจเกิดขึ้นจากไฟฟ้าสถิต แต่ก็มีประโยชน์อย่างแน่นอน

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีสมัยใหม่ในชีวิตประจำวันหลายอย่างต้องอาศัยไฟฟ้าสถิตย์อย่างมาก ตัวอย่างเช่น เครื่องถ่ายเอกสารใช้แรงดึงดูดไฟฟ้าเพื่อ "กาว" อนุภาคโทนที่มีประจุไว้บนกระดาษ น้ำหอมปรับอากาศไม่เพียงแต่ทำให้ห้องมีกลิ่นหอมเท่านั้น แต่ยังช่วยขจัดกลิ่นไม่พึงประสงค์ด้วยการปล่อยไฟฟ้าสถิตลงบนอนุภาคฝุ่น ซึ่งทำให้กลิ่นเหม็นกระจายออกไป

ในทำนองเดียวกันปล่องควันที่พบในโรงงานสมัยใหม่ใช้เพลตที่มีประจุเพื่อลดมลพิษ เมื่ออนุภาคควันเคลื่อนขึ้นไปบนกอง พวกมันจะดึงประจุลบจากตะแกรงโลหะ เมื่อชาร์จแล้วจะดึงดูดแผ่นที่อยู่อีกด้านหนึ่งของปล่องควันที่มีประจุบวก สุดท้าย อนุภาคควันที่มีประจุจะถูกรวบรวมลงบนถาดจากแผ่นรวบรวมที่สามารถกำจัดได้

ไฟฟ้าสถิตยังพบทางเข้าสู่นาโนเทคโนโลยีซึ่งใช้ตัวอย่างเช่น เพื่อรับอะตอมเดี่ยวด้วยลำแสงเลเซอร์ อะตอมเหล่านี้สามารถถูกจัดการเพื่อวัตถุประสงค์ทุกประเภทเช่นเดียวกับในแอพพลิเคชั่นคอมพิวเตอร์ต่างๆ การประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีที่น่าตื่นเต้นอีกอย่างหนึ่งคือการควบคุมบอลลูนนาโนซึ่งสามารถเปลี่ยนผ่านไฟฟ้าสถิตย์ระหว่างสภาวะพองตัวกับสภาวะยุบตัวได้ เครื่องจักรระดับโมเลกุลเหล่านี้สามารถส่งยาไปยังเนื้อเยื่อเฉพาะภายในร่างกายได้ในวันหนึ่ง

ไฟฟ้าสถิตมีอยู่สองและครึ่งพันปีนับตั้งแต่มีการค้นพบ ยังคงเป็นเรื่องอยากรู้อยากเห็นและน่ารำคาญ แต่ก็ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีความสำคัญต่อชีวิตประจำวันของเรา

Sebastian Deffner เป็นผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ บัลติมอร์เคาน์ตี้ บทความนี้ร่วมเขียนโดย Muhammed Ibrahim ซึ่งกำลังทำการวิจัยร่วมกับ Deffner เกี่ยวกับการลดข้อผิดพลาดในการคำนวณในหน่วยความจำควอนตัม

บทความนี้เผยแพร่ซ้ำจากThe Conversationภายใต้สัญญาอนุญาตครีเอทีฟคอมมอนส์ คุณสามารถค้นหาบทความต้นฉบับที่นี่