NHỮNG PHÁT KIẾN ĐẦU TIÊN VỀ ĐIỆN NĂNG

Một thời gian dài trước khi có kiến thức về điện, con người đã nhận thức được về những cú điện giật từ những con cá điện. Các văn liệu của người Ai Cập cổ đại có niên đại từ 2750 TCN đã đề cập đến các loài cá này với tên gọi "thiên lôi của sông Nin" và miêu tả chúng như là "kẻ bảo vệ" tất cả các loài cá khác. Có lẽ cách tiếp gận gần nhầt và sớm nhất về phát hiện ra sét và điện từ bất kỳ nguồn khác được cho là đóng góp của người Ả Rập, vì trước thế kỷ 15 họ đã có đề cập từ sét trong tiếng Ả Rập (raad) để chỉ các tia chớp.    

1. Thales, Gilbert và Von Guericke

Năm 600 TCN tại Hy Lạp, nhà triết học kiêm toán học lừng danh Thales de Milet đã khảo cứu mọi hiện tượng và sự vật chung quanh.

   Một hôm khi đang ngồi làm việc, ông thấy trên bàn có miếng hổ phách (amber). Ông liền cầm miếng hổ phách đó lên ngắm nghía. Sau đó, ông lấy áo đánh cho thật bóng rồi đặt vào chỗ cũ. Bỗng nhiên Thales sửng sốt, ông thấy các vụn gỗ bám vào miếng hổ phách.

   Tại sao có sự kỳ lạ này? Thales phân vân. Ông đánh bóng lại miếng hổ phách và đặt gần các vụn gỗ, kết quả vẫn như trước. Thales kết luận rằng: “khi sát mạnh miếng hổ phách thì miếng này hút được các vụn gỗ”.

   Ông tự hỏi liệu các thứ khác với vụn gỗ có bị hút không? Thales liền thử lại với lông chim, vụn vải nhỏ và được các kết quả tương tự. Công cuộc khảo sát của Thales chỉ tới đó. Ông Thales chỉ tìm thấy rằng khi sát mạnh cục hổ phách bằng miếng da thì cục hổ phách đã hút các vật nhẹ, trái với trường hợp cục hổ phách không được chà sát.

Sự hiểu biết về điện vẫn chỉ là sự tò mò trí tuệ, trải qua 22 thế kỷ tới năm 1600, Sir William Gilbert là người đầu tiên khảo cứu về điện học và từ học.

   Gilbert nhớ lại các điều nhận xét của Thales khi trước, ông tự hỏi các chất khác với hổ phách liệu có tính chất khi sát mạnh, hút các vật nhẹ như hổ phách không? Gilbert liền thử với nhiều chất liệu và tìm thấy lưu huỳnh, thủy tinh, silic có tính chất tương tự. Ông đặt tên cho sức hút bí ẩn này bằng thuật ngữ La Tinh là électricité ("của hổ phách" hay "giống với hổ phách", xuất phát từ ήλεκτρον [elektron], tiếng Hy Lạp có nghĩa là "hổ phách")

   Trong tác phẩm De Magnete, Gilbert đã trình bày tất cả vật chất đã được ông dùng trong các thí nghiệm và xếp loại theo thứ tự các chất có sức hút lớn. Trong việc nghiên cứu về điện lực và từ lực, Gilbert đã phát minh ra được một điện nghiệm kế (électroscope) dùng để khám phá các vật có chứa điện lượng rất nhỏ. Các điều quan sát cẩn thận và được ghi chép đầy đủ của Sir William Gilbert đã là căn bản cho các công cuộc khảo cứu điện học sau này.

Năm 1660, Otto Von Guericke, Thị Trưởng miền Magdeburg nước Đức. Ngoài việc điều hành chính quyền ông còn chuyên tâm về Khoa Học. Ông Von Guericke đã phát minh ra một máy hút không khí để tạo nên khoảng chân không. Ông còn làm rất nhiều thí nghiệm lừng danh về áp suất không khí.

   Tác phẩm De Magnete là tiền đề khiến ông Von Guericke phải nghiền ngẫm và suy nghĩ. Von Guericke làm lại các thí nghiệm của Sir William Gilbert và thấy rằng nếu cứ chà xát các mảnh lưu huỳnh hay thủy tinh để có điện lực thì quả là một công việc phiền phức.

   Từ suy nghĩ đó ông liền làm một quả cầu bằng lưu huỳnh, xuyên qua tâm bằng một trục có tay quay rồi đặt quả cầu vào một giá gỗ. Khi quay thật nhanh và dùng một găng tay bằng da đặt vào mặt quả cầu lưu huỳnh, Von Guericke đã lấy được một số điện lượng lớn gấp bội thứ của Sir William Gilbert, thứ điện này có ngay tại chỗ bị chà xát và không lưu động nên được gọi là tĩnh điện (static electricity). Như thế Von Guericke đã chế tạo được chiếc máy tĩnh điện đầu tiên.

   Von Guericke còn khám phá ra rằng khi một vật nào tiếp xúc với quả cầu lưu huỳnh thì vật đó cũng có tính chất hút các vật nhẹ nghĩa là có chứa điện lượng. Ông còn chứng minh rằng: “điện được truyền đi trong các thanh kim loại”. Otto Von Guericke thực sự đã góp một phần đáng kể vào môn điện học nhất là máy tĩnh điện. Phát minh của ông giúp cho các nhà khoa học sau này có thể khảo cứu điện lực dễ dàng hơn.

2. Chai Leyde

Các phòng thí nghiệm của thời kỳ đầu thế kỷ 18 thường được trang bị một máy tĩnh điện của Von Guericke. Khi cần thí nghiệm, việc phải quay máy để chế tạo điện lực trở nên một vấn đề phiền phức. Nhiều người tự hỏi liệu có cách chứa điện nào để điện lượng sẵn sàng khi cần đến ?

   Qua nhiều năm, các nhà vật lý đã nhận thức rằng không khí ẩm ướt khiến cho tĩnh điện lấy được từ máy bị mất mát đi rất nhiều. Pieter Van Musschenbroek Giáo Sư tại trường Đại Học Leyde (Hà Lan) cho rằng: “Sự mất điện như vậy do bởi không khí đã dẫn điện”.

   Theo ý ông, muốn tránh bị mất điện nên bao bọc vật chứa điện bằng chất cách điện. Musschenbroek liền treo một chai đầy nước bằng một sợi kim loại xuyên qua nút chai và sợi này được buộc vào một đoạn ống thép, treo nằm ngang do hai sợi chỉ. Musschenbroek cho rằng: “Khi nạp điện, điện lượng sẽ truyền vào nước và chai thủy tinh sẽ che chở cho số điện lượng đó”. Rồi ông chạm một tay vào đoạn ống thép và tay kia vào chai thủy tinh, ông đã thấy bị giật mạnh.

   Thí nghiệm của Musschenbroek được làm lại tại nhiều nơi, nhất là tại nước Pháp do tu sĩ Jean Antoine Nollet Giáo Sư Triết Học Thiên Nhiên của Hoàng Gia. Trước mặt nhà Vua, Nollet đã thực hiện sự phóng điện vào một hàng vệ binh tay nắm tay. Chính Nollet đã đặt tên cho dụng cụ của Musschenbroek là chai Leyde và từ năm 1744, chai Leyde là một thứ tụ điện thô sơ nhất. Chai Leyde bằng thủy tinh, được bọc ngoài bằng các lá thiếc mỏng, cổ chai bằng gỗ có gắn một cây đinh xuyên qua. Khi quay máy tĩnh điện rồi cho tiếp xúc với cây đinh, chai Leyde như vậy được tiếp điện và chứa điện cho đến khi nào dùng tới.

   Vào thời kỳ đó, thứ tụ điện này được phổ biến rất nhiều tại Châu Âu. Trong phòng thí nghiệm, đôi khi các nhà khoa học còn làm cho khán giả phải kinh ngạc bằng cách dùng chai Leyde để “lấy điện từ đầu mỗi người ngồi riêng biệt tại mỗi nơi”. Chai Leyde đã trở thành một đồ vật dùng làm trò quỷ thuật đối với người thường nhưng với nhà khoa học, loại bình chứa điện này đã giúp họ tìm ra các phát minh quan trọng khác.

3. Benjamin Franklin và Luigi Galvani

Benjamin Franklin nhà vật lý danh tiếng miền Philadelphia. Franklin đã mua chai Leyde từ châu Âu rồi sau rất nhiều thí nghiệm về điện với dụng cụ này, ông đi tới nhận xét rằng tia điện phát ra từ chai tụ điện giống như các lằn chớp trên trời trong những ngày giông tố. Ông tự hỏi phải chăng sấm chớp cũng là một thứ điện nhưng với một cường độ lớn gấp bội?

   Franklin liền làm một chiếc diều khá lớn, phất bằng lụa rồi vào một buổi chiều mây đen kéo tới mù mịt, ông cùng đứa con trai William đem diều ra thả. Chiếc diều theo gió mạnh lên cao vùn vụt, chẳng mấy chốc đã tới tầng mây đen thấp nhất. Franklin buộc tại cuối sợi dây diều chiếc chìa khóa bằng kim loại. Mười phút sau sấm sét rền trời rồi mưa xuống. Franklin đưa tay gần chiếc chìa khóa thì thấy có tia lửa bật 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.

   Nhận ra điều đó, Franklin liền sai William mang chai Leyde ra, rồi đặt chiếc đinh nơi cổ chai gần chiếc chìa khóa đồng, tức thì các tia lửa bật ra và chai Leyde đã đầy điện. Từ cuộc thí nghiệm về sấm chớp, Benjamin Franklin kết luận rằng điện có mặt tại khắp nơi. Khi một vật có quá nhiều điện lượng, vật này dễ làm mất số điện lượng đó và Franklin gọi vật đó chứa điện dương. Trái lại khi một vật không có đủ số điện lượng thông thường, vật này dễ nhận thêm điện lượng mới, vật đó chứa điện âm.

   Ngoài lý thuyết về điện, Benjamin Franklin còn phát minh ra cột thu lôi. Để trắc nghiệm, ông đã can đảm dựng ngay một cột thu lôi trên nóc nhà của mình. Sau nhiều ngày giông bão, căn nhà của ông vẫn không sao nên dân chúng trong vùng Philadelphia cũng bắt chước ông thực hiện dụng cụ này. Franklin đã tả rõ lợi ích của cột thu lôi trong cuốn lịch The Poor Richard Almanach.

Luigi Galvani là Giáo Sư danh tiếng về Cơ Thể Học tại trường Đại Học tỉnh Bologne, nước Ý. Một hôm, Galvani giảng một bài trong đó dùng tới một con nhái đã lột da. Do tình cờ con vật được đặt trên chiếc bàn mặt kim loại. Khi giảng tới sự phức tạp của các đường gân và các bắp thịt, Galvani lấy xiên đâm vào đùi con nhái. Bỗng nhiên chân nhái co giật lại. Galvani hết sức ngạc nhiên. Thử lại mấy lần, ông đều thấy như vậy. Sau vài ngày tìm hiểu, Galvani thấy rằng chân nhái co giật khi đầu xiên đâm vào và chạm tới mặt bàn kim loại.

   Một ngày khác, Galvani đã dùng một móc đồng phơi đôi chân nhái phía trên một thanh sắt ngoài ban công. Galvani đã nhận thấy rằng khi gió thổi khiến đôi chân nhái đung đưa chạm vào thanh sắt và ngay tức khắc, chân nhái sẽ bị co giật. Ông ngẫm nghĩ về hiện tượng kỳ lạ này và cố gắng tìm lời giải đáp. Bỗng dưng, một ý tưởng hiện ra trong óc ông: “Điện!” Galvani kết luận rằng có điện tại mọi vật, ngày cả trong đôi chân nhái. Thứ điện này được ông gọi là “điện của sinh vật”. Galvani liền viết một bài báo nói về sự tìm kiếm của mình. Cả châu Âu phải sửng sốt về điều tìm thấy mới lạ này và điện của sinh vật trở nên đầu đề cho các câu chuyện khoa học thời bấy giờ.

   Ngày nay chúng ta biết rằng Galvani đã nhầm lẫn ở chỗ gọi điện của sinh vật và ông ta không tìm ra điện ở đâu mà có. Tuy nhiên điều nhận xét của Galvani đã mở đường cho công việc chế tạo điện bằng kim loại và hóa chất sau này.

4. Alessandro Volta

Từ khi Galvani phổ biến các nhận xét về điện thì tại các phòng thí nghiệm của châu Âu, các nhà khoa học đã làm nhiều thí nghiệm về đôi chân nhái. Có người lại dùng dây dẫn điện nối chai Leyde với đôi chân nhái và đã thấy đôi chân con vật bị co giật mạnh gấp bội. Do thí nghiệm này, nhiều nhà khoa học bắt đầu nghi ngờ lý thuyết điện của sinh vật. Trong số những người bác bỏ lý thuyết kể trên.

Alessandro Volta là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy. Trước đó, Volta đã có nhiều nghiên cứu nhằm tăng cường tính điện của chai Leyde.

Đối với thí nghiệm chân nhái, Volta không quan tâm đến hiện tượng co giật đơn thuần, sâu xa hơn, ông cố gắng tìm hiểu nguồn điện đã sinh ra từ đâu để làm chân nhái có thể co giật. Volta nhận thấy rằng chân nhái chỉ co giật khi có sự tiếp xúc của 2 kim loại khác nhau. Sau khi tiếp tục nghiên cứu, Volta phát hiện thêm rằng điện sinh ra do phản ứng hóa học và hiện tượng co giật của chân ếch chỉ xảy ra khi 2 kim loại khác nhau tiếp xúc trong một dung dịch muối. Cụ thể, dung dịch muối tồn tại bên trong cơ thịt của chân nhái.

   Volta liền làm các miếng tròn bằng đồng và kẽm rồi xếp một miếng đồng cách một miếng kẽm bằng một miếng giấy xốp tẩm dung dịch muối ăn. Sau đó ông nối hai miếng trên cùng và dưới cùng của chồng các miếng tròn bằng một sợi dây dẫn điện, Volta đã thấy dòng điện chạy qua. Như vậy bình phát điện đầu tiên đã ra đời dưới tên gọi là “Pin Volta”. Sở dĩ có danh từ “pile” vì đây là một chồng các miếng tròn bằng đồng và kẽm.

   Phát minh của Volta đã cho Nhân Loại một giòng điện đều, sẵn sàng dùng trong bất cứ cuộc thí nghiệm nào. Phát minh quan trọng này đã làm Alessandro Volta nổi danh lừng lẫy. Năm 1800, Volta tới thành phố Paris và thực hiện lại các thí nghiệm của ông trước sự tán thưởng của tất cả các giới Khoa Học Pháp. Trong dịp này, Volta được Hàn Lâm Viện Pháp Quốc trao tặng một huy chương vàng.

5.Oersted, Ampère và Faraday

Hans Christian Oersted là Giáo Sư Vật Lý tại trường Đại Học Copenhague (Đan Mạch). Ngày 21 tháng 4 năm 1820 trong một bài giảng, Oersted nhận thấy một kim la bàn lệch từ phía bắc từ khi một dòng điện từ pin được bật và tắt. Giải thích ban đầu của ông là hiệu ứng từ tính tỏa ra từ tất cả các bên của một dây dẫn mang dòng điện, cũng như ánh sáng và nhiệt.

   Ba tháng sau đó, ông bắt đầu cuộc nghiên cứu chuyên sâu hơn và ngay sau đó công bố phát kiến của mình. Ông đã cho thấy một dòng điện tạo ra từ trường khi nó chạy qua một dây dẫn bất kì. Phát kiến này không phải chỉ do có cơ hội, mà vì Oersted đã tìm kiếm một mối liên hệ giữa điện và từ trong nhiều năm nay. Là tiền đề quan trọng cho những phát kiến sau này của các nhà khoa học.

André-Marie Ampère  nhà vật lý người Pháp. Vào tháng 9 năm 1820, sau khi nghe báo cáo thí nghiệm của Oersted về tác dụng của dòng điện lên kim nam châm do nhà bác học Arago trình bày trước Viện Hàn lâm khoa học Paris, nhà bác học André-Marie Ampère đã suy nghĩ đến khả năng quy các hiện tượng từ về hiện tượng điện và ông muốn loại bỏ thuật ngữ “chất từ” (hiểu theo nghĩa như “chất nhiệt” thời đó) khỏi ngôn ngữ khoa học.

   Năm 1826, ông tổng kết các kết quả nghiên cứu của mình trong công trình quan trọng mang tên “Lí thuyết các hiện tượng điện động lực học rút ra thuần tuý từ thí nghiệm”. Từ đó ông suy ra rằng: “xung quanh dây điện có những “lực từ” phân bổ theo đường vòng”. Ông đã tìm ra lực điện từ và phát triển chúng thành định luật mang tên ông, Định luật Ampère.

Michael Faraday là một nhà hóa học và vật lý học người Anh, Ông đã Tiếp nối sự khám phá của Oersted về từ trường điện và những thí nghiệm của Ampere.

   Phát kiến lớn nhất của ông là khi ông quấn hai cuộn dây cách điện xung quanh một vòng kim loại và phát hiện rằng: “Mỗi khi cho dòng điện chạy qua cuộn dây này thì lập tức có một dòng điện được sinh trong cuộn dây kia”. Hiện tượng này được gọi là hỗ cảm. Dụng cụ cuộn dây - vòng kim loại này vẫn còn được trưng bày tại Học viện Hoàng Gia.

   Trong các thí nghiệm tiếp theo, ông thấy rằng, nếu ông di chuyển thanh nam châm qua cuộn dây, một dòng điện sẽ chạy trong cuộn dây. Dòng điện cũng sẽ xuất hiện nếu cuộn dây di chuyển qua thanh nam châm đứng yên. Thí nghiệm của ông cho thấy rằng sự thay đổi từ trường tạo ra dòng điện. Từ những nghiên cứu đó ông đã đưa ra một trong những phát minh quan trọng nhất trong lịch sử điện và từ đó là định luật cảm ứng điện từ. 

   Sau này Faraday sử dụng nguyên lý này để tạo ra Dynamo, nguồn gốc của máy phát điện ngày nay.