Với thí nghiệm thả diều nổi tiếng vào năm 1752, Benjamin Franklin là người đầu tiên chứng minh những đám mây giông tích điện và sét là một hiện tượng phóng điện. Dựa vào đó, ông đã sáng chế ra cột thu lôi để chống sét.

Benjamin Franklin và thí nghiệm thả diều nổi tiếng của ông cùng con trai. Ảnh: History.
Benjamin Franklin và thí nghiệm thả diều nổi tiếng của ông cùng con trai. Ảnh: History.

Trong tự nhiên, tia sét có thể đạt vận tốc bằng 1/3 tốc độ ánh sáng, tạo ra nhiệt độ vượt quá 27.000°C. Tất cả chúng ta đều ít nhất một lần nhìn thấy những tia sét đẹp mắt và nghe thấy tiếng sét chói tai, nhưng hầu hết mọi người không có nhiều trải nghiệm cá nhân về thiệt hại mà sét có thể gây ra cho các tòa nhà, tàu thuyền và các công trình khác, chưa kể đến những thương tích và cái chết mà nó gây ra cho con người.

Trong nhiều thế kỷ, sét là một hiện tượng bí ẩn và người ta cho rằng sét do Đức Chúa Trời tạo ra. Nhưng nhiều triết gia và các nhà khoa học ở giữa thế kỷ 18 đã nghi ngờ [mặc dù họ không thể chứng minh] sét là điện. Bây giờ chúng ta biết sét hình thành khi điện tích dư thừa tích tụ trong các đám mây. Tại thời điểm điện tích đủ lớn, nó có thể giải phóng một tia chớp đột ngột từ đám mây xuống mặt đất. Người đầu tiên tiến hành thí nghiệm chứng minh mây giông tích điện và sét hình thành từ sự phóng điện là Benjamin Franklin (1706 – 1790). Ngoài nghiên cứu khoa học, Franklin còn nổi tiếng là một chính trị gia, triết gia, nhà hoạt động xã hội và nhà ngoại giao hàng đầu. Ông nằm trong số những người sáng lập nên nước Mỹ, người đề xướng về sự thống nhất của các thuộc địa. Các nhà sử gia gọi ông là “Người Mỹ đầu tiên”.

Trong thí nghiệm thả diều nổi tiếng ở Philadelphia (Mỹ) vào ngày 15/6/1752, Franklin đã thành công trong việc thu tia sét từ các đám mây. Tác giả Philip Dray thảo luận về lý do tại sao thí nghiệm của Franklin lại gây tranh cãi trong cuốn sách “Đánh cắp sét của Chúa Trời: Cột thu lôi của Benjamin Franklin và sự ra đời nước Mỹ”. Dray nói rằng Franklin rất bí mật khi tiến hành thí nghiệm, và nhân chứng duy nhất là con trai của ông tên William (21 tuổi). Kết quả, không có bằng chứng cụ thể nào cho thấy thí nghiệm thực sự diễn ra. Nhưng nó thường được chấp nhận là sự thật, căn cứ vào những lời tường thuật chi tiết do cộng sự của Franklin là Joseph Priestley kể lại khoảng 15 năm sau đó. Bí ẩn xung quanh thí nghiệm thả diều khiến nó trở thành một trong những câu chuyện được yêu thích nhất ở Mỹ.

Theo mô tả của Dray về thí nghiệm thả diều, Franklin làm một chiếc diều lớn, dùng lụa thay cho giấy như thông thường để căng lên khung diều hình chữ thập. Ông lắp thêm đầu chiếc diều một thanh kim loại mài nhọn dài 30 cm để thu sét. Dây diều thì một đầu buộc vào diều, đầu còn lại buộc vào chiếc chìa khóa. Sau đó từ chìa khóa buộc một dải ruy băng lụa khô ráo để người cầm vào dải lụa không bị điện giật. Khi dây diều bị ướt bởi nước mưa, nó trở thành dây dẫn điện.

Chiếc diều theo gió mạnh bay lên cao vùn vụt, chẳng mấy chốc đã tới tầng mây đen thấp nhất. Một đám mây giông trôi qua - không phải là một tia sét - đã tích điện âm cho chiếc diều. Franklin đưa tay gần chiếc chìa khóa thì thấy có tia lửa phóng ra và ông cảm thấy bị điện giật. Như vậy sợi dây diều ngấm nước đã truyền điện từ trên mây xuống và khi ông đưa tay gần chiếc chìa khóa bằng đồng, điện đã truyền qua người ông. Franklin dùng chai Leiden [hình thức ban đầu của tụ điện] để tích điện từ chiếc chìa khóa, và ông đã thu được một lượng điện rất lớn.

Thật may mắn cho Franklin không bị thiệt mạng bởi vì sau đó 10 năm, nhà vật lý người Nga Richmann tại trường Đại Học St. Petersburg khi thực hiện lại thí nghiệm của Franklin đã bị sét đánh chết.

Sau khi biết sét là hiện tượng phóng điện và một thanh sắt có thể thu hút sét, Franklin đã dựng lên cột thu lôi đầu tiên trên mái nhà của mình để tiếp tục thử nghiệm. Trong cuốn sách Thí nghiệm và Quan sát về Điện (Experiments and Observations on Electricity) của Franklin xuất bản tại London, ông mô tả thiết bị của mình bao gồm một thanh sắt có đầu nhọn đặt ở phần cao nhất của tòa nhà. Một dây dẫn kim loại nối thanh sắt này với một thanh kim loại khác chôn dưới đất ẩm. Khi sét đánh vào đầu thanh sắt, dòng điện sẽ truyền thẳng xuống đất, ngăn chặn nó làm hư hại bất kỳ phần nào của tòa nhà. Cuốn sách của Franklin được dịch và bán trên khắp châu Âu, có tác động rất lớn đến giới khoa học.

Franklin không đăng ký bằng sáng chế cho cột thu lôi. “Franklin tin rằng các sản phẩm trí tưởng tượng của con người không thuộc về ai, và nên được chia sẻ cho tất cả mọi người”, Dray cho biết.

Hiện nay có nhiều tranh luận về hình dạng của cột thu lôi để nó hoạt động hiệu quả nhất. Theo Franklin, điện trường xung quanh đầu nhọn của cột thu lôi khá mạnh nên có khả năng thu hút tia sét đánh vào. Ngoài ra, cột thu lôi cũng góp phần giúp ngăn ngừa một vụ sét đánh bằng cách hấp thụ bớt điện tích của các đám mây giông sau đó truyền xuống đất. Tuy nhiên, Charles B. Moore, một chuyên gia tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Khí quyển Langmuir (Mỹ), cho rằng cột thu lôi đầu tròn sẽ mang lại hiệu quả cao hơn đầu nhọn.

Kể từ khi có sáng chế của Franklin, các nhà khoa học đã cố gắng cải tiến cột thu lôi. Nikola Tesla, một nhà phát minh nổi tiếng có nhiều đóng góp trong ngành kỹ thuật điện, đã được cấp bằng sáng chế số 1266175 cho một cột thu lôi vào năm 1916. Trong bằng sáng chế này, ông mô tả chi tiết một cột thu lôi có hình dạng kỳ lạ bao gồm nhiều thanh kim loại tỏa ra từ một cột trung tâm. Ông tuyên bố rằng hình dạng này có thể ngăn chặn sét đánh một cách hiệu quả mà không khiến khu vực không khí xung quanh bị tích điện – điều có thể thu hút nhiều sét hơn, gây nguy hiểm.

Ngày nay, chúng ta có những hệ thống điện phức tạp và tinh vi hơn nhiều so với thời đại của Franklin. Cột thu lôi ngăn ngừa sét gây ra hỏa hoạn và làm hỏng các công trình, nhưng chúng không ngăn được các hiệu ứng thứ cấp của tổn thương sét làm hỏng máy tính và các thiết bị điện. Do đó, người ta đã phát triển các phương pháp chống sét khác. Bộ chống sốc điện (Surge protectors) có thể giảm thiệt hại cho hệ thống điện bằng cách vô hiệu hóa sự gia tăng đột biến dòng điện gây ra bởi sét đánh. Máy dò sét (Lightning detectors), đúng như tên gọi của nó, có thể phát hiện nguy cơ bị sét đánh, cho phép người dùng thực hiện các hành động phòng ngừa như rút phích cắm của thiết bị điện.

Viện An toàn Sét Quốc gia ước tính rằng, sét ở Mỹ mỗi năm gây ra hơn 26.000 vụ hỏa hoạn với thiệt hại về tài sản trên 5 – 6 tỷ USD. Không thể tưởng tượng những con số đó sẽ lớn ở mức nào nếu không có hệ thống phòng và chống sét.