Michael Faraday
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
MICHEAL FARADAY (1791-1867)
Micheal Faraday là nhà bác học mà có lẽ chúng ta phải ghi nhớ nhất những công lao của ông, bởi ông chính là người có công lớn nhất trong việc biến từ thành Điện - nguồn năng lượng sạch và phổ biến nhất ngày nay. Có một nhà bác học người Đức đã nói một câu mà tôi không thể nào quên: “Chừng nào loài người còn sử dụng đến điện, thì chừng đó mọi người còn ghi nhớ công lao của Micheal Faraday”
Tiểu sử của Faraday chắc chúng ta không cần nói thêm gì nhiều, những điều trong SGK đủ để chúng ta hiểu rằng: ông là một nhà bác học người Anh, là người phát minh ra máy phát điện, là phụ tá thí nghiêm xuất sắc của Davy,…nhưng con đường đẫn đến phát minh khoa học vĩ đại ấy đâu chỉ có thẻ tóm gọn trong mấu tin trong SGK mà chúng ta thường đọc…
Faraday là một nhà bác học nổi tiếng về thực nghiệm, cả đời ông đã từng làm hơn 1000 thí nghiệm. Ông làm việc say mê với cường độ cực cao: 18 tiếng mỗi ngày trong phòng thí nghiệm. Ông cũng nhiều đêm thức trắng đêm không ngủ vì trước thời gian đó 1 tháng, ông nhận được 1 tin tức quan trọng về một phát hiện của nhà bác học Đan Mạch Han Ơcstet: khi cho 1 nam châm qua 1 dây dẫn đặt song song với 1 kim nam châm thì kim nam châm lập tức quay lệch đi. Nhiều nhà Vật lý học lúc đó đã nghĩ rằng từ lực của dòng điện hướng vuông góc với mật phẳng chứa dòng điện và kim nam châm. Faraday muốn chứng minh ý nghĩ đó là đúng. Cách đó ít lâu, tình cờ ông được nghe thấy tiến sĩ Vônlaxtơn, thư kí của hội hoàng gia, nói với giáo sư Davy rằng thí nghiệm của ông ta cho 1 sợi dây dẫn điện quay quanh 1 nam châm vẫn bị thất bại. Và Faraday đã nảy ra 1 ý nghĩ rằng: nếu thực hiện được 1 thí nghiệm như thế thì sẽ chứng minh hoàn toàn được điều nói trên. Đã hơn 1 tháng miệt mài trong phòng thí nghiệm, Faraday đã cố gắng tìm ra cách bố trí thì nghiệm, cuối cùng ông lần ra được đầu mối: Ông lấy 2 cốc đựng thủy ngân, mỗi cốc có đặt 1 thanh nam châm đặt thẳnh đứng. Ở 1 cốc, thanh nam châm dược gắn chặt vào đáy, cốc kia, thanh nam châm di chuyển được trên 1 điểm ở đáy cốc. Một sợi dây đồng được thả từ trên xuống, cắm xuyên qua 1 nút chai nổi trên thủy ngân, đầu dưới nhúng vào thủy ngân. Đầu trên của sợi dây nối vào 1 cực của pin Volta, thủy ngân trong bình nối với cực kia . Ở chiếc cốc có thanh nam châm gắn chặt thì sợi dây đồng có thể di động, còn ở chiêc cốc có thanh nam châm di động thì sợi dây lại được gắn chặt. Khi Faraday cho dòng điện đi qua dụng cụ thí nghiệm thì ông thấy: ở 1 cốc thanh nam châm từ từ quay tròn xung quanh sợi dây đồng cố định, còn ở cốc kia sợi dây đồng lại quay quanh thanh nam châm cố định. Khi ông đổi chiều dòng điện, thanh nam châm và sợi dây quay theo chiều ngược lại.
Vợ ông mang cơm đến, được chứng kiến cảnh tượng đó vui mừng reo lên: ”Hiện tượng quay điện từ”. Còn ông thì xúc động quan sát thanh nam châm và sợi dây đồng quay đều đều và suy nghĩ: “Thí nghiệm này chứng tỏ có thể biến các lực từ thành các lực chưyển động. Điều này có tầm quan trọng lớn về mặt thực tiễn…”. Và năm 1821, ông đã công bố trên bài báo “Về những chuyển động điện từ mới” trên tạp chí khoa học.
Do các két quả nghiên cứu và đóng góp của ông về mặt khoa học, 1 tiến sĩ có tiếng bấy giờ đã đề nghị Hội Hoàng gia London công nhận Faraday là hội viên chính thức. Đề nghị đó làm mọi người bàn tán xôn xao, bởi Hội Hoàng gia London là một tổ chức khoa học thuộc loại lớn nhất thế giới, hội viên đều là những khoa học xuất sắc, mà Faraday lai xuất thân là thợ nghèo và mới làm phụ tá cho giáo sư Davy. Hơn nữa, trước đó lại có dư luận nói là bài báo “Về những chuyển động điện từ mới” của ông chỉ giới thiệu lai những thí nghiệm mà ông đã nghe lỏm được của tiến sĩ Vônlaxtơn, nhưng tiến sĩ Vônlaxtơn, một nhà khoa học chân chính đã cải chính lại những lời đồn đại đó. Và cuối cùng, năm 1824, ông đã dược toàn thể hội viên Hội Hoàng gia London nhất trí bầu làm hội viên chính thức của hội.
Con đường đi tới phát minh vĩ đại…Thành công = Gian khổ + kiên trì
Sau thí nghiệm thành công năm 1821, Faraday nghĩ rằng: nếu dòng điện có thể sinh ra từ lực như 1 nam cham thì lẽ nào không thể dùng nam châm để tạo ra điện! Và ông tự dặt cho mình nhiệm vụ biến từ thành điện. Một năm sau ông đặc biệt chú ý đến thí nghiệm của nhà bác học Pháp Aragô: một kim nam châm đặt trên 1 cái đế bằng gỗ lắc lư tới vài trăm lần mới dừng lại, nhưng nếu nó đặt trên 1 cái đế bằng đồng thì kim nam châm chỉ lắc lư có vài ba cái là dừng lại. Thế mà đồng thì không chịu tác dụng của nam châm! Vậy bí mật của hiện tượng là ở đâu? Nhà bác học Pháp Ampe thì dự đoán rằng, trong thí nghiệm của Aragô có hiện tượng cảm ứng giống như hiện tượng cảm ứng điện ở các đám mây dông. Faraday cảm thấy dự đoán của Ampe là đúng và cố gắng suy nghĩ xem có cách nào bố trí 1 thí nghiệm để chứng minh dự đoán đó. Ông thấy rằng nếu đặt 1 thanh nam châm bên cạnh 1 cuộn dây đồng thì chẳng bao giờ tạo ra được dòng điện trong cuộn dây và do đó cuộn dây và thanh nam châm chẳng bao giờ tương tác được với nhau. Hay là, thay cho thanh nam châm ta đạt 1 cuộn dây thứ 2 có dòng điện chạy qua để tạo ra nam châm điện? Nhưng vẫn thất bại! Có lẽ vì dòng điện của pin Volta còn quá yếu chăng? Vậy làm thế nào để có 1 nam châm điện mạnh? Sau một thời gian suy nghĩ, nhờ sự giúp đỡ của người phụ tá Anderson, ông dùng vành sắt non làm lõi ống dẫn điện: Quấn 1 số vòng dây đồng vào 1 nửa vành sắt non làm thành ống dây thứ 1 (dài 750cm) rồi đem nối nó với bộ pin Volta, như vậy là có 1 nam châm điện đủ mạnh. Để có ống dây thứ 2 ông lại quấn 1 số vòng dây dẫn (dài 2m) lên nửa vành thứ 2. Và để kiểm tra khả năng xuất hiện dòng điện trong ống dây này ông đem nối nó với 1 điện kế. Khi ông vừa đóng mạch điện cho dòng điện chạy qua ống dây thứ 1 ông suýt kêu to lên vì vui sướng, chiếc kim điện kế nối với ống dây thứ 2 đột ngột chao đi rồi lại trở về vị trí ban đầu! Đợi 1 chút ko thấy có gì khác lạ, ông liền ngắt mạch điện ở ống dây thứ 1. Lạ lùng sao, chiếc kim điện kế lại chao đi rất nhanh! Faraday vô cùng hồi hộp. Ông làm lại thí nghiệm nhiều lần. Lần nào khi đóng mạch điện hay ngắt mạch ông đều thấy có dòng điện xuất hiên trong ống dây thứ 2. Đó chính là lịch sử phát hiện ra hiẹn tượng cảm ứng điện từ. Hôm đó là ngày 29/8/1831. Faraday rất xúc động, ông không thể ngồi lại ở phòng thí nghiệm để làm thêm và đi dạo cho đầu óc thanh thản. Nhưng kết quả thí nghiệm luôn ám ảnh ông. Trong óc ông lúc nào cũng hiện lên những câu hỏi xung quanh thí nghiệm đầu tiên đó.Phải chăng có một mối liên quan nào đó giữa những dòng điện này với những lực tác dụng trong thí nghiệm của Aragô khiến cho kim nam châm không lắc lư lâu được? Nhưng tại sao dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong ống dây thứ 2 khi đóng hoặc ngắt mạch điện ở ống dây thứ 1?
Những ngày sau đó Faraday sống trong tình trạng rất căng thẳng về trí óc. Ông không nói chuyện với 1 ai, kể cả vợ ông về kết quả của cuộc thí nghiêm đầu tiên đó. Ông không làm lại thí nghiệm dó mà tập trung suy nghĩ phân tích thí nghiệm và vạch ra hướng đi mới, ông biết rõ một kết luận vội vàng trong lúc này có thể khiến chính mình đi lạc hướng.
…Và vấn đề đã dần được sáng tỏ. Faraday hiểu rằng, ống dây thứ 1 thực chất là 1 nam châm điện: khi có dòng điện đi qua cuộn dây thì lõi sắt non của nó đã bị nhiễm từ, tức là đã có từ tính. Và chính từ lực của lõi sắt đã kích thích dòng điện cảm ứng trong ống dây thứ 2. Một câu hỏi nữa liền được đặt ra: nếu thay nam châm điện bằng nam châm vĩnh cửu thì hiện tượng xảy ra sẽ ra sao? Đến khi nào thì nam châm vĩnh cửu cũng có thể kích thích được dòng điện cảm ứng ?
Gần 1 tháng sau, 24/9/1831 Faraday mới lại bắt tay vào tiếp tục làm thí nghiệm với 1 nam châm vĩnh cửu. Kết quả thí nghiệm làm ông thấy rằng: với 1 nam châm vĩnh cửu thì dòng điện cảm ứng chỉ xuất hiện trong ống dây khi nam châm chuyển động cắt mặt phẳng các vòng dây. Lại những đêm suy nghĩ và sau 2 lần thí nghiệm nữa vào ngày 1/10 và 17/10, Micheal Faraday mới khẳng định rằng ông đã khám phá ra hiện tượng cảm ứng điện từ mà Ampe đã dự đoán
Tuy nhiên ông vẫn chưa công bố kết quả xuất sắc của mình, ông vẫn muốn giải quyết vấn đề một cách triệt để hơn: làm thế nào để tạo ra dòng điện cảm ứng lâu dài một cách tiện lợi, chứ ko phải chỉ thu được dòng điện theo kiểu đưa thanh nam châm vào trong lòng ống dây rồi lại kéo nó ra ngoài ống dây một cách quá “thủ công” ? Faraday lưu ý đến cái đĩa bằng đồng của Aragô, khi quay đĩa chung quanh trục đứng thẳng thì 1 kim nam châm đặt nằm song song với mặt điã cũng quay theo . Ông hiểu rằng khi đĩa đồng quay gần 1 nam châm thì trong đĩa đã xuất hiện dòng điện cảm ứng. Đĩa trở thành 1 nam châm và hút kim nam châm phải quay theo nó. Vậy bây giờ muốn thu được dòng điện lâu dài thì chỉ việc cho đĩa đồng quay ngang qua 1 nam châm đủ mạnh. Và ngày 28/10/1831, Faraday đã đi tới thí nghiêm xuất sắc nhất về cách tạo ra dòng điện cảm ứng: khi cho 1 đĩa đồng quay ngang qua 1 nam châm vĩnh cửu hình móng ngựa, ông đã thu được dòng điện ổn định và lâu dài hơn hẳn dòng điện cho bởi pin Volta. Và đến giờ phút này ông mới quyết định công bố phát hiện của mình. Bản báo cáo của Faraday đọc trước hội Hoàng gia London ngày 24/11/1831 vầ hàng loạt thí nghiệm về hiện tượng cảm ứng điện từ của ông đã làm chân động dư luận giới khoa học ở tất cả các nước. Mọi người đều nhất trí đánh giá rằng phát kiến vĩ đại của Faraday đã mở ra 1 kỉ nguyên mới trong lịch sử điện từ học và lịch sử ngành kĩ thuật.
Từ lý thuyết đến thực tế - con đường gian nan Chiếc đĩa đồng quay của Faraday thực sự là chiếc máy phát điện đầu tiên dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ song dòng điện do nó phát ra còn quá yếu, chưa thể tạo ra nổi tia lửa điện, thậm chí còn chưa làm nổi cho 1 chiếc đùi ếch co giật. Chỉ có những điện kế đủ nhạy mới phát hiện ra được dòng điện cảm ứng khi đĩa quay. Chính vì thế nên phát hiện của Faraday vẫn chỉ là 1 phát hiện có ý nghĩa vật lý lý thuyết thông thường, trong đầu ông luôn ấp ủ 1 ý nghĩ làm sao để điện có thể mang đến lợi ích thiết thực cho con người?
Để cái máy phát điện cảm ứng điện từ được áp dụng vào thực tiễn thì phải cải tiến đĩa đồng thô sơ kia để thu được dòng điện đủ mạnh. Nhưng cải tiến thế nào? Đó chính là điều khiến nhà bác học trăn trở. Và trong lịch sử của chiếc máy phát điện làm thay đổi thế giới có sự đóng góp không nhỏ bởi những sự việc tình cờ...
Trong khi Faraday đang suy nghĩ làm sao để cải tiến chiếc đĩa đồng để tạo ra dòng điện đủ mạnh thi vợ ông mang món bánh gatô mà ông thích lên phòng làm việc. Trong đầu ông lúc này vẫn suy nghĩ về chiếc máy phát điện: Về nguyên tắc thì đã rõ: hoặc chuyển dịch thanh nam châm trong cuộn dây đồng, hoặc chuyển dịch cuộn dây đồng đối với nam châm đều tạo ra được dòng điện. Nhưng không thể tạo ra 1 cuộn dây đồng dài vô tận để cho dòng điện phát sinh 1 cách liên tục và mạnh được
Vấn đề nằm ở chỗ đó. Nếu không giải quyết được thì chiếc máy phát điện của ông mãi chỉ là 1 trò chơi vật lý, không hơn không kém. Chiếc bánh ngọt mà vợ ông mang lên đã gợi cho ông 1 suy nghĩ: nếu những miếng bánh ngọt là những thanh nam châm đặt theo đường kính của đĩa hình tròn, lần lượt hướng các cực khac nhau ra ngoài, bên ngoài đĩa là những cuộn dây đồng gắn trên 1 vành tròn . Khi ta quay đĩa có nam châm sẽ xuất hiện dòng điện qua các cuộn dây. Chỉ việc tăng giảm số lượng các thanh nam châm và tốc độ quay của đĩa là ta có thể thu được dòng điện lớn đến bao nhiêu cũng được. Ý tưởng ấy chính là một bước mở đầu quan trọng cho phát minh vĩ đại nhất trong lịch sử.
Sau 1 đêm cặm cụi với những thanh nam châm và cuộn dây có sẵn, Faraday đã hoàn thành chiếc máy phát điện đầu tiên mà ông nghĩ. Vậy là Faraday đã thực hiện được được ước mơ biến từ thành điện-nguồn năng lượng sạch và phổ biến nhất hiện nay.
Phát minh của Faraday đã mở ra 1 kỉ nguyên mới trong lĩnh vực KHKT. Việc phát minh ra máy phát điện đã mở ra cho loài người những triển vọng lớn trong lĩnh vực sử dụng năng lượng điện. Từ đây, điện không còn là điều bí ẩn của thiên nhiên (sét), không còn là những trò ma thuật không thể giải thích nổi mà đã nằm trong sự kiểm soát của con người. Hơn cả 1 chiếc máy phát điện, như chúng ta đã biết, máy phát điện của Faraday cũng là 1 động cơ điện, nghĩa là khi cho 1 dòng điện ngoài chạy vào máy, sẽ tạo ra 1 chuyển động quay (điện năng thành cơ năng),…Một kỉ nguyên mới về điện đã bắt đầu!
Gửi người hậu thế Ngày 20/3/1862 là ngày cuối cùng đánh dấu công việc nghiên cứu của Faraday. Trong cuốn sổ ghi kết quả nghiên cứu của ông người ta đọc được con số thí nghiệm cuối cùng của ông: 16041.
Mùa hè năm 1867, Faraday ốm nặng, ông bị điếc và mất trí nhớ, nhưng nhìn ông, người ta vẫn cảm thấy ông đang suy tưởng như cả đời ông chưa bao giờ ngừng suy tưởng. Trong những dòng nhật kí cuối cùng của ông, người ta thấy những lời sau: “…Tôi thật sự thấy luyến tiếc những năm sống đầy hạnh phúc, trong niềm say mê làm việc và trong ước mơ tìm đến những phát minh. Thật đáng buồn khi tôi biết mình sắp từ giã cõi đời, và sẽ không bao giờ được trở lại những ngày sôi nổi… Đối với các bạn trẻ, tôi chỉ có một lời khuyên để lại, rút ra từ kinh nghiệm cuộc sống: hãy làm việc và suy nghĩ đi ngay cả khi chưa nhìn thấy một tia sáng nhỏ bé, vì dù sao, như vậy vẫn còn hơn là ngồi không!…”
25/8/1867 là ngày nhà bác học vĩ đại ấy từ giã cõi đời. Ông chết đi để lại cho toàn nhân loại một phát minh bất tử, một phát minh mang tính bản lề cho mọi phát minh của loài người sau này. Bài viết kết thúc ở đây với lời nhà bác học Hemhônxơ ngưòi Đức đã nói: “Chừng nào loài người còn sử dụng đến điện, thì chừng đó mọi người còn ghi nhớ công lao của Micheal Faraday”
