Khi bạn bật công tắc và ánh sáng từ ngọn đèn chan hòa khắp phòng, có lẽ bạn chẳng nghĩ ngợi nhiều xem nó hoạt động như thế nào – hoặc ai là người biến điều đó thành có thể. Nếu bạn buộc phải biết thiên tài nào ẩn sau chiếc đèn, bạn có thể nghĩ tới cái tên Thomas Alva Edison, người phát minh ra bóng đèn điện nóng sáng. Nhưng người đáng ra bạn nên nhớ tới là một nhân vật có tầm nhìn xa trông rộng tên là Nikola Tesla.
Một bức tranh khắc thể hiện Nilola Tesla đang thuyết giảng trước Hội Vật lí Pháp và Hội Kĩ sư điện Quốc tế hồi những năm 1880.
Tesla đến Mĩ vào năm 1884, ở tuổi 28, và vào năm 1887 ông đã đăng kí một loạt bằng sáng chế mô tả mọi thứ cần thiết để phát điện sử dụng dòng điện xoay chiều, hay AC. Để hiểu ý nghĩa của những phát minh này, bạn phải hiểu lĩnh vực sản xuất điện có tình trạng như thế nào vào cuối thế kỉ 19. Đó là một cuộc chiến của những dòng điện – với Tesla ở một bên và Edison ở chiến tuyến bên kia.
Hiện trạng ngành điện vào năm 1885
Edison công bố chiếc đèn điện nóng sáng của ông trước công chúng vào tháng 1 năm 1880. Không bao lâu sau đó, hệ thống cấp điện do ông nghĩ ra đã được lắp đặt ở Quận Nhất thuộc thành phố New York. Khi Edison bật công tắc trong một màn trình diễn hệ thống trước công chúng vào năm 1881, những chiếc đèn điện sáng lên lấp lánh – và khơi ngòi một nhu cầu chưa từng có tiền lệ đối với ngành công nghệ mới ra đời này. Mặc dù thiết kế ban đầu của Edison kêu gọi chạy dây dưới đất, nhưng nhu cầu quá lớn nên phần lớn thành New York thu điện từ những sợi dây trần mắc trên cột gỗ. Vào năm 1885, việc tránh các hiểm họa điện đã trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày, nhiều đến mức quận Brooklyn đã đặt tên cho đội bóng chày của mình là Dodgers (“Cà giật”) vì cư dân của quận này thường xuyên phải né tránh những cú sốc từ những tuyến ray cấp điện.
Elihu Thomson trình diễn một máy hàn điện tại Hội chợ bang New York được cấp điện bởi một dynamo Thomson/Houston.
Hệ thống Edison sử dụng dòng điện một chiều, hay DC. Dòng điện một chiều luôn luôn chạy theo một chiều và được tạo ra bởi máy phát điện một chiều. Edison là một người trung thành ủng hộ DC, nhưng nó có những hạn chế. Hạn chế lớn nhất là DC khó truyền hiệu quả kinh tế trên những cự li xa. Edison biết rằng dòng điện xoay chiều không có hạn chế này, nhưng ông không nghĩ AC là một giải pháp khả thi đối với những hệ thống điện thương mại. Elihu Thomson, một trong những ông chủ của hãng Thomson-Houston và là một đối thủ cạnh tranh của Edison, thì tin vào cái ngược lại. Vào năm 1885, Thomson đã phác thảo một hệ thống AC cơ bản dựa trên những đường dây cao áp để mang năng lượng điện đi xa khỏi nơi nó được phát ra. Bản phác thảo của Thomson còn nêu rõ nhu cầu có một công nghệ giảm điện áp tại nơi sử dụng. Gọi là máy biến áp, công nghệ này đã không được phát triển trọn vẹn cho mục đích thương mại cho đến khi Công ti Điện Westinghouse tham gia cuộc đua vào năm 1886.
Cho dù với sự phát triển của máy biến áp và một vài thử nghiệm thành công của các hệ thống điện AC, nhưng vẫn còn thiếu một mắc xích quan trọng. Mắc xích đó là động cơ AC. Và Tesla là người tạo ra mắc xích này.
Tầm nhìn thiên tài của Tesla
Trong khi Edison vất vả thương mại hóa bóng đèn điện của ông, thì Tesla đã học được một bài học sâu sắc từ lúc ông còn là một sinh viên tại trường Bách khoa Joanneum ở Graz, nước Áo. Khi là sinh viên ở đó, Tesla đã chứng kiến một màn trình diễn của một dynamo Gramme. Dynamo là một máy phát điện sử dụng một bộ góp đảo điện – các tiếp xúc gắn trên trục máy – để tạo ra dòng điện một chiều thay vì dòng xoay chiều. Tesla đã nói với thầy hướng dẫn của ông rằng có thể bỏ quách bộ góp đó đi, vì khi dynamo hoạt động nó là chỗ phát ra tia lửa điện kinh khủng. Đề xuất này bị thầy dạy của ông chế nhạo, nhưng nó đã thu hút trí tưởng tượng của Tesla.
Vào năm 1881, Tesla có một ý tưởng sáng tạo: Chuyện gì xảy ra nếu người ta thay đổi từ trường trong stator của một dynamo thay vì làm thay đổi các cực từ của rotor? Đây là một khái niệm mang tính cách mạng đã làm xoay chuyển lịch sử ngành điện. Trong một dynamo truyền thống, stator đứng yên cung cấp một từ trường không đổi, còn một bộ quay – rotor – thì quay bên trong từ trường đó. Tesla thấy rằng nếu sắp xếp này đảo ngược lại, thì sẽ không cần bộ góp đảo điện nữa.
Các máy phát điện bên trong Đập thủy điện Hoover sản xuất dòng điện xoay chiều cho các bang Arizona, Nevada và California của nước Mĩ.
Tất nhiên, việc mang ý tưởng này vào thực tế sẽ mất hàng năm nghiên cứu. Tesla bắt đầu vào năm 1882 trong khi làm việc tại Công ti Edison Đại lục ở Paris.Trong thời gian này, ông lắp đặt các hệ thống chiếu sáng bằng bóng đèn nóng sáng hoạt động trên hệ thống điện DC của Edison. Trong thời gian rỗi của mình, ông làm thí nghiệm với các thiết kế động cơ AC. Hai năm như thế trôi qua, cho đến khi Tesla thuyên chuyển tới Xưởng máy Edison ở thành phố New York. Có một vài lần ông đã mô tả những ý tưởng của ông về hệ thống AC trước nhà phát minh nổi tiếng người Mĩ, nhưng Edison không thể hiện chút quan tâm nào. Thay vậy, ông yêu cầu Tesla nên thực hiện cải tiến các nhà máy phát điện DC đang có. Tesla đã làm thế, nhưng ông thất vọng khi Edison trả công cho ông không tương xứng. Tesla rời đi, và con đường của hai nhà khoa học lớn đã vĩnh viễn phân li.
Sau những ngày đi đào mương rãnh và nợ nần vì làm ăn thất bát, cuối cùng Tesla nhận được sự cung cấp tài chính từ Charles Peck, một người ủy quyền, và Alfred S. Brown, một nhà quản lí tại Western Union. Peck và Brown đã hỗ trợ Tesla lập một phòng thí nghiệm chỉ cách phòng thí nghiệm của Edison ở Manhattan chỉ chừng vài viên gạch, và khuyến khích người kĩ sư trẻ hoàn thiện động cơ AC của ông. Tesla đã làm đúng như thế, xây dựng cái sau này động cơ cảm ứng nhiều pha. Tên gọi nhiều pha ý nói một động cơ hoạt động dựa trên nhiều dòng điện xoay chiều, chứ không phải một dòng. Từ cảm ứng ý nói quá trình nhờ đó sự quay các từ trường stator gây ra dòng điện cảm ứng trong rotor. Động cơ ban đầu của Tesla là một phiên bản hai pha với một stator có hai cặp nam châm, mỗi cặp cho một trong hai pha AC.
Năm 1887, Tesla lấy 7 bằng sáng chế Mĩ mô tả một hệ thống AC hoàn chỉnh dựa trên động cơ cảm ứng của ông và bao gồm cả máy phát, máy biến áp, đường dây truyền tải và đèn thắp sáng. Một vài tháng sau đó, Tesla có một bài thuyết giảng về hệ thống mới mang tính cách mạng của ông trước Viện Kĩ sư Điện của Mĩ. Bất chấp một chiến dịch chống AC do Edison khởi xướng, bài giảng đã thuyết phục nhiều chuyên gia rằng hệ thống điện AC không những khả thi hơn, mà nó còn ưu việt hơn hệ thống DC.
Để mang một ý tưởng hay ra thị trường, cần có một vài cú hích mạnh. Trong trường hợp này, cú hích đó đến từ một nhà phát minh đã giàu lên trong lĩnh vực công nghiệp đường sắt.
AC hay DC
George Westinghouse, ông chủ của một công ti điện tư nhân đang vật lộn tìm kiêm các chi tiết của một hệ thống điện AC thành công, nghe nói tới bài giảng năm 1888 của Tesla và lập tức thấy hứng thú. Khi Peck và Brown tới Westinghouse bàn chuyện thương mại hóa các phát minh của Tesla, nhà doanh nghiệp đường sắt đã đưa ra một lời mời hào phóng. Ông đồng ý chi 25.000 đô la tiền mặt và 50.000 đô la chi phiếu và một khoản hoa hồng nhỏ cho mỗi sức ngựa điện năng sinh ra từ động cơ đó.
Thomas A. Edison đứng cạnh dynamo điện nguyên bản của ông.
Westinghouse đã mang những phát minh của Tesla trở lại Pittsburgh, Pennsylvannia, nơi ông hi vọng sử dụng công nghệ này cấp điện cho hệ thống xe điện của thành phố. Tesla đi theo, và là một nhân viên của Công ti Điện Westinghouse, bàn bạc chuyện triển khai. Dự án đó không diễn ra suôn sẻ, và Tesla thường cãi nhau với các kĩ sư Westinghouse. Tuy nhiên, cuối cùng mọi người đã chịu ngồi lại với nhau và đi tới công thức hợp lí: một hệ thống AC hoạt động trên ba pha, dòng điện 60 vòng. Ngày nay, hầu như tất cả các công ti điện ở Mĩ và Canada đều cấp dòng 60 vòng, nghĩa là dòng AC hoàn tất 60 sự đổi chiều trong một giây. Đây là cái gọi là tần số của hệ.
Vào đầu thập niên 1890, Edison và những người ủng hộ DC cảm thấy bị đe dọa thật sự. Họ liên tục đưa ra những khẳng định rằng AC là nguy hiểm và lấy một tai nạn điện giật thảm khốc vào năm 1890 làm bằng chứng. Nhưng họ đã chịu một đả kích mạng vào năm 1893, khi Westinghouse giành được quyền chiếu sáng cho Hội chợ Quốc tế Chicago. Đối thủ của ông là General Electric (GE), công ti được thành lập bởi sự hợp nhất giữ Edison General Electric và Thomson-Houston. GE là ngọn cờ đầu dụng cụ hệ thống điện DC. Westinghouse chiến thắng về giá thành, nhưng khi tổng thống Grover Cleveland bật công tắc thắp sáng 100.000 bóng đèn nóng sáng tại sân bãi hội chợ, có rất ít người nghi ngờ tính ưu việt của điện AC.
Westinghouse ra đòn quyết định với những người nghi ngờ còn lại vào năm 1895 với việc thiết kế một nhà máy thủy điện tại Thác nước Niagara hợp nhất tất cả những tiến bộ trong lĩnh vực AC. Thoạt đầu, nhà máy chỉ cấp điện cho Buffalo, New York. Nhưng không lâu sau thì đường dây điện đã lan tới thành phố New York, giúp Broadway trở thành Con đường Sáng Lớn trong trí tưởng tượng công chúng.
Lúc này, Tesla đã gác lại những chi tiết ngày qua ngày của các nhà máy điện và những triển khai thực tế của AC. Ông chuyển về thành phố New York, tại đó ông mở một phòng thí nghiệm mới trong đó ông có thể khảo sát những ý tưởng, những máy móc và những dụng cụ mới. Nhiều phát minh trong số này không có liên quan đến sự phát điện hay điện học. Nhưng sự ảnh hưởng của ông đối với lĩnh vực kĩ thuật điện là hết sức to lớn. Thật vậy, người ta có thể nói rằng động cơ AC của Tesla và hệ thống AC nhiều pha đã chiến thắng trong cuộc chiến của những dòng điện vì chúng tạo nên cơ sở của mọi sự phát điện và phân phối điện hiện đại. Tuy nhiên, dòng điện một chiều – đứa con của Edison – không hoàn toàn biến mất hẳn. Nó vẫn hoạt động trong các hệ thống điện ở xe hơi, xe lửa và một số loại động cơ.
Trần Nghiêm (thuvienvatly.com)
Nguồn: HowStuffWork.com
