hồi các báo cáo về cọc Volta bằng cách tự mình chế tạo nó để kiểm chứng. Ông đã sử dụng nó để thử nghiệm các tác động khác nhau của acid và kiềm. Ông đã được học các yếu tố hóa học trong hiệu thuốc của bố ở một thị trấn nhỏ của Đan Mạch trên đảo Langeland, nơi ông sinh năm 1777, khoảng 160 km về phía tây nam Copenhagen. Đến năm 1800, sau khi theo học tại Đại học Copenhagen cùng người anh trai, Anders, ông đã có bằng tiến sĩ vật lý và giảng dạy tại
trường đại học. Cả hai anh em đều có tài. Anders thì học luật, trở thành thủ tướng của Đan Mạch trong hai năm của thập niên 1850.
Một dụng cụ thí nghiệm đơn giản mô phỏng hồ quang carbon thô sơ của Davy. Các thí nghiệm của Oersted với acid và kiềm đã khiến ông phát hiện ra các ưu điểm của acid làm chất điện ly cho pin đồng thời với Humphry Davy vào năm 1803. Đến năm 1806, ông được bổ nhiệm làm giáo sư vật lý tại Copenhagen. Từ lâu đã bị cuốn hút bởi ý tưởng lãng mạn về sự thống nhất của thiên nhiên, ông tin bộ môn vật lý tự thể hiện bản thân nó như một sự thống nhất cơ bản giữa các thế lực tự nhiên vĩ đại như điện năng, từ tính, nhiệt năng và ánh sáng. Ông đã chiêm nghiệm vấn đề này trong một bài luận lý thuyết ông viết khi đang đi du lịch nước ngoài và xuất bản ở Paris vào năm 1813, “Các nghiên cứu về đặc tính của các lực hóa học và điện.”[13] Đó cũng là lần đầu tiên ông đặt vấn đề rằng có thể có một liên kết tồn tại giữa điện và từ tính. “Nhân loại luôn có xu hướng so sánh lực từ với lực điện. Sự tương đồng lớn giữa lực đẩy và lực hút của từ tính và của điện cùng sự giống nhau giữa các định luật của chúng nhất thiết phải dẫn đến sự so sánh này.” Nhưng có một vấn đề với việc so sánh, Oersted phỏng đoán: điện dường như tác động lên vật liệu từ tính mà không phản ứng với từ trường của nó, điều này đã khiến các nhà lý thuyết khác cho rằng điện và từ tính là riêng biệt, là hai lực độc lập. Thí nghiêm sẽ phải giải quyết vấn đề này, ông kết luận, nhưng các lực đan xen như vậy sẽ khó để tách riêng. Thí nghiệm Oersted chuẩn bị hóa ra lại đơn giản vô cùng. Nhưng vì ông đã lường trước được khó khăn, ông đã để chuyện giảng dạy và công việc trì hoãn nỗ lực này đến nửa thập niên.[14] Ông đã dành thời gian để phát minh ra kíp điện để kích nổ, một sợi dây mỏng được nung phát sáng bằng điện. Ông tiến hành một cuộc thám hiểm theo lệnh của nhà vua Đan Mạch đến đảo Bornholm ở Đan Mạch. Ông đã phát minh ra đèn hơi thủy ngân với một trong những người thám hiểm đồng hành, luật sư Lauritz Esmarch, và cùng với một đồng nghiệp, một người bạn cũ, ông thay thế gỗ bằng đồng để làm máng của pin lỏng, làm tăng đáng kể nguồn điện đầu ra. Cuối cùng, vào mùa xuân năm 1820, khi đang giảng bài cho sinh viên, Oersted bỗng nhớ lại niềm tin mãnh liệt năm xưa của mình về đặc tính của lực điện và từ trường. Lần này ông “quyết tâm thử thách luận điểm của tôi bằng thí nghiệm.”[15] Oersted chuẩn bị thí nghiệm vào một ngày ông có lớp buổi tối. Oersted vốn định thử nó trước khi lên lớp. Một điều gì đó làm gián đoạn và ông đã
quyết định trì hoãn. Trong suốt bài giảng, tâm trí ông vẫn tập trung vào thí nghiệm, ông nhận ra nó có khả năng thành công. Nhà vật lý lập tức ngắt bài giảng rồi chạy về phòng thí nghiệm. Đó là, một sử gia khoa học nhận xét, “trường hợp đầu tiên được biết đến trong lịch sử khoa học khi một khám phá khoa học có tính cách mạng đã sinh ra trước một đám đông sinh viên trong một bài giảng trên lớp.”[16] Thí nghiệm này có thể dễ dàng thất bại. Nó bao gồm một la bàn từ tính, một dãy pin và dây kết nối với pin để dẫn điện tích - nghe có vẻ đơn giản. Nhưng Oersted tin rằng dây cần phải được làm nóng đến mức phát sáng để đạt hiệu quả tối đa, vì vậy ông đã sử dụng cái mà ông gọi là “dây bạch kim thượng hạng” làm dây dẫn để thêm ánh sáng và nhiệt cho điện để xem các lực đó có đồng thời tác động đến kim la bàn hay không. Ông chưa được biết rằng một sợi dây nặng hơn sẽ tạo ra từ trường mạnh hơn. Sợi dây mỏng của ông đã hạn chế tác động. Tuy nhiên chân lý khoa học vẫn tìm đến với ông. Oersted chuẩn bị cho sinh viên của mình bằng cách nhắc họ rằng dông bão có thể làm cho một chiếc kim la bàn xoay. Ông đề xuất rằng một cây kim từ tính đặt gần dây điện có thể hoạt động tương tự. Sau khi sắp đặt thiết bị thí nghiệm, ông đóng mạch. Dòng điện chạy qua dây bạch kim và kim la bàn bị lệch.[17] Mặc dù rất phấn khích, Oersted nghĩ rằng thí nghiệm này rất táo bạo nhưng vẫn chưa đủ sức thuyết phục - chí ít là với cộng đồng khoa học rộng lớn hơn sẽ phán xét nó. Thiết bị này vẫn “yếu,” ông viết, hiệu ứng là “không thể chối cãi” nhưng “mơ hồ.”[18] Ông quyết định mình cần pin mạnh hơn. Trong vài tháng tiếp theo, Oersted và người bạn Esmarch đã chế tạo một pin gồm 20 máng đồng với các tấm kẽm và đồng được treo trong dung dịch acid sunfuric và acid nitric loãng. Tháng 7 năm đó, với Esmarch và một người bạn khác với tư cách là nhân chứng, Oersted đã thử lại lần nữa với pin lớn hơn và dây dẫn nặng hơn.
Thí nghiệm lịch sử Oersted chứng minh điện trường làm chệch hướng một la bàn từ tính. “Một hiệu ứng rất mạnh quan sát được ngay lập tức,” ông viết trong tự truyện của mình. Với hơn 60 thí nghiệm, Oersted phát hiện ra rằng loại dây dẫn không phải là vấn đề: bạch kim, vàng, bạc, đồng thau, sắt, ruy băng chì và thiếc, và thậm chí là một máng thủy ngân, đều thu được “các thành công tương đương nhau.” Dây dẫn nhiễm điện sẽ tác động đến kim la bàn ngay cả khi được ngăn cách bằng thủy tinh, kim loại, gỗ, pocfia, hay gốm, ngay cả khi “la bàn được đặt trong hộp đồng đổ đầy nước.” Kim la bàn bằng đồng, thủy tinh, hay gỗ sơn mài không có phản ứng. Nhưng đáng chú ý là nếu ông căng dây nhiễm điện dưới kim la bàn thay vì ở trên nó, các hiệu ứng vẫn xảy ra như cũ, nhưng hướng kim xoay sẽ đảo ngược. Phát hiện đó đã cho Oersted định luật mà ông đang tìm kiếm, bởi vì sự đảo ngược vị trí của kim la bàn chỉ có thể có nghĩa là từ trường mà dòng điện tạo ra lấp đầy không gian liền kề dây dẫn với dạng hình tròn bao quanh nó.
Bằng cách đặt một la bàn bên trên và bên dưới một dây điện, Oersted đã phát hiện ra dạng hình tròn của từ trường bao quanh dây. Vào tháng 7 năm 1820, Oersted đã công bố một bản tóm tắt ngắn gọn về các thí nghiệm của mình trong báo cáo dài bốn trang bằng tiếng Latin mà ông đã in và gửi cho bạn bè cùng những nhà thí nghiệm trên khắp châu Âu. Báo cáo này cho thấy ông là người tiên phong khám phá. Sau đó, ông đã chuẩn bị một báo cáo dài hơn bằng tiếng Pháp kể chi tiết nhiều thí nghiệm của ông, được công bố ở Paris vào tháng 9. Trong vòng ba năm, một nhà ngoại giao Nga ở Saint Petersburg kiêm nhà thí nghiệm nghiệp dư, Nam tước Pavel L’vovitch Schilling, đã bắt đầu thiết kế hệ thống điện báo
dựa trên những khám phá của Oersted. Schilling đã trình diễn hệ thống này trước Sa hoàng Alexander I trước khi ngài băng hà vào năm 1825. Trong thập niên 1830, chính phủ Nga đã lên kế hoạch liên kết điện báo giữa pháo đài trên đảo Kronstadt án ngữ lối vào vịnh Neva với cung điện ở Saint Petersburg, nhưng Schilling đã qua đời vào năm 1837 trước khi hệ thống này có thể được thương mại hóa. Bên cạnh hiện tượng điện từ và sự hiện diện của một từ trường mở rộng xung quanh một dây dẫn mang điện, một khám phá cơ bản nữa là cần thiết trước khi các kỹ sư và nhà phát minh có thể bắt đầu tìm cách ứng dụng điện cho thế giới văn minh. Khám phá đó là thành quả của một nhà hóa học người Anh phi thường tên là Michael Faraday, một người được bảo hộ bởi Humphry Davy tại Viện Hoàng gia ở London. Faraday sinh ra trong nghèo khó ở London vào năm 1791, cha ông làm nghề thợ rèn nay đã ốm yếu. Chỉ với vài năm đi học, ông bắt đầu làm việc ở tuổi mười ba, làm tay sai vặt cho một người bán sách và thợ đóng sách, người nhận ông vào học nghề ngay năm sau. “Có rất nhiều sách ở đó, và tôi say mê đọc chúng,” ông kể sau này. Ông cũng bắt đầu nghiên cứu khoa học mới về điện trong các trang của Encyclopedia Britannica (Bách khoa toàn thư Anh) và chú thích một tác phẩm gồm bốn tập về hóa học. Năm 1810, ông gia nhập một hội diễn thuyết được tổ chức bởi một nhóm người trẻ ở London về phương pháp tự học. Một người bạn mới quen có biết chữ trong hội cam kết dành ra hai giờ một tuần để giúp Faraday cải thiện ngữ pháp và đánh vần, họ tiếp tục giúp nhau trong bảy năm trời. Một người bạn khác làm nhân viên ngân hàng, cùng chia sẻ sự nhiệt tình của Faraday về hóa học, đã thảo luận về những khám phá khoa học mới và mày mò giải quyết các vấn đề hóa học với ông. Khi việc học đóng sách của Faraday kết thúc vào năm 1812, anh phải đối mặt với thực tế rằng công việc đóng sách toàn thời gian sẽ chiếm hết thời gian dành cho học tập. Thời điểm đó, ông đã bắt đầu tham dự các bài giảng mở tại Viện Hoàng gia, đặc biệt là của Humphry Davy. Vào tháng 10 năm 1813, Davy bị thương ở mắt trong một thí nghiệm khi một hỗn hợp nổ tung bắn vào mặt ông. Một người bạn từng tận mắt thấy chữ viết rất đẹp của Faraday trong cửa hàng sách đã giới thiệu ông với Davy. Công việc thư ký ngắn hạn này đã mở đường cho chàng trai trẻ thu hút sự chú ý của nhà khoa học vĩ đại cho công việc phòng thí nghiệm. Davy sắp xếp thuê
Faraday với mức lương một đồng guinea một tuần cộng với tiền nến, nhiên liệu và một căn hộ nhỏ trong gác mái của viện. Faraday cũng xin được cấp tạp dề và đặc quyền ra vào phòng thí nghiệm. Thỏa thuận được chấp nhận.[19] Trong hai thập niên tiếp theo, Faraday chứng minh bản thân là một nhà thực nghiệm có kỹ năng và tính sáng tạo luôn tăng tiến. Ông trở thành người quản lý của Viện Hoàng gia trong khi vẫn khám phá hóa học và sau đó là điện từ. Phát hiện của Oersted về việc một dây nhiễm điện tạo ra từ trường xung quanh nó đã thu hút Faraday tìm kiếm hiện tượng ngược lại: điện được sinh ra trong một dây dẫn quấn quanh một nam châm. Khi thí nghiệm đó thất bại - ông là một trong nhiều người đã thử nó - Faraday đã bắt đầu một loạt các thí nghiệm, thử mọi cách sắp xếp dây và nam châm có thể tưởng tượng được. Năm 1831, Faraday lần đầu tiên nghe nói về nam châm điện mạnh mẽ mà hai đối thủ cạnh tranh đáng gờm, một trong số họ là nhà nghiên cứu người Mỹ, Joseph Henry, đã chế tạo bằng cách cuộn hàng trăm vòng dây cách điện xung quanh những lõi sắt mềm. Khi họ cho một dòng điện pin chạy qua cuộn dây, lõi sắt phản ứng như một nam châm thông thường to gấp nhiều lần kích thước của nó. Ngoại suy từ thí nghiệm này, Faraday dùng một chiếc nhẫn sắt giống hình một chiếc bánh rán lớn và bọc hai cuộn dây riêng biệt xung quanh hai nửa đối diện. Các đầu dây dẫn của một cuộn được gắn vào một cục pin, cuộn kia gắn vào một máy đo để đo dòng điện (gọi là galvanometer - điện kế, được đặt theo tên của Luigi Galvani để vinh danh ông). Khi Faraday kết nối pin, kim điện kế có nhảy - nhưng sau đó đung đưa qua lại và đứng yên. Khi ông ngắt pin, kim bị lệch một lần nữa theo hướng ngược lại, dao động và ổn định.
Sơ đồ thí nghiệm cảm ứng Faraday. Các vạch ngang bên trái chỉ pin; khoanh tròn bên phải với chữG bên trong chỉ điện kế. Joseph Henry đã nhận thấy hiệu ứng này trước đây. Tia lửa điện lóe lên khi ông ngắt pin, thứ mà ông gọi là “tia lửa điện từ nam châm. Nhưng bởi vì Henry đang tập trung tìm kiếm phương pháp tạo dòng điện ổn định, ông đã thất bại trong việc nghiên cứu sâu hơn.[20] Một lần nữa, vinh quang của người khám phá sẽ đến với kẻ không chỉ nhận thấy hiện tượng mà còn theo đuổi tác dụng phụ có vẻ tầm thường này đến cùng: Faraday có nhận ra, có chú ý, và kiên trì làm một loạt các thí nghiệm tiếp theo. “Trong một thí nghiệm,” sử gia khoa học Michael Schiffer viết, “ông nhận thấy kim [của điện kế] cũng bị lệch khi cuộn dây thứ hai được di chuyển về phía hoặc ra khỏi cuộn thứ nhất. Ngoài ra, Faraday nhận thấy khi đẩy một thanh nam châm vĩnh cửu vào một lỗ rỗng của cuộn dây, hoặc rút nó ra một cách nhanh chóng, kim điện kế sẽ nhảy. Trong các thí nghiệm tiếp sau đó với nam châm vĩnh cửu và các cuộn dây, ông đã thu được một kết quả nhất quán: chỉ khi nam châm di chuyển nhanh tương ứng với cuộn dây thì kim điện kế mới dịch chuyển.”[21] Giống như các đối thủ của mình, Faraday đang tìm kiếm một dòng điện ổn định tạo ra bởi từ tính. Ông tạm thời chưa công bố kết quả nghiên cứu của mình. Thay vào đó, ông mượn thiết kế của một máy thí nghiệm từ một nhà nghiên cứu người pháp và sử dụng nó để thí nghiệm. Thiết bị mà Faraday chế tạo bao gồm một đĩa đồng đường kính 30 cm gắn trên một trục bằng đồng giữa hai cực của một nam châm hình móng ngựa đủ mạnh
để nâng 13,6 kg. Một dây gắn vào trục đồng và một dây gắn vào một chổi quét ép lên đĩa đồng, nối mạch với điện kế. Khi Faraday quay bánh xe đồng qua từ trường từ tính, điện kế ghi nhận một dòng điện cảm ứng tiếp tục kéo dài chừng nào đĩa còn quay. Vậy điện sản sinh từ tính, và từ tính thì tạo ra điện. Hai sức mạnh này thực sự là một thế lực hùng mạnh, vô hình: lực điện từ. Bằng chứng sâu sắc đó đã giúp cho Faraday dành được sự tôn trọng của thế giới khoa học. Nó cũng mở toang cánh cửa tạo ra điện tích ổn định, ở bất kỳ mức độ nào, mà không cần pin. Máy phát điện đĩa đồng Faraday là một nam châm đơn giản, ví dụ đầu tiên về một cơ chế sẽ trở nên phổ biến trong ô tô, và các máy móc khác, một cách để chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Một cánh tay có thể thực hiện công việc đó, quay tay quay. Động cơ hơi nước cũng làm được. Thác nước cũng làm được.
N 12 NHỊP ĐỘ CỦA NƯỚC iagara, thác nước và sông, được đặt tên theo một từ của thổ dân Mohawk, ohnyá-kara î, nghĩa là “yết hầu của vùng đất [giữa các hồ].”[1] Sông và thác di chuyển một lượng lớn nước trên vùng đất yết hầu này từ một trong các Đại Hồ, hồ Erie, đến một hồ khác, hồ Ontario, và từ đó đến vịnh Saint Lawrence và ra biển. Hồ Erie, ở độ cao 174 mét so với mực nước biển, cao hơn hồ Ontario 100 mét. Thác Niagara, trút nước từ độ cao 52 mét, chiếm khoảng một nửa độ dốc giữa hai hồ. Hồ Erie chứa gần 480 tỉ mét khối nước. Nếu hồ Erie không thường xuyên nhận mưa và tuyết, thì thác Niagara vẫn sẽ cần khoảng 100 năm để làm cạn nó, có nghĩa là có hơn bốn tỉ mét khối nước chảy qua thác hằng năm. Nước đổ từ thác là nguồn năng lượng công nghiệp lâu đời nhất ngoài sức mạnh cơ bắp. Thác Niagara thu hút sự quan tâm thương mại từ những ngày đầu tiên, nhưng việc khai thác nó vượt xa khả năng của các kỹ sư đương thời. Nhà thám hiểm Franciscan Louis Hennepin đã đến thăm thác vào năm 1679 và mô tả nó trong một báo cáo như là “một vùng đất rộng lớn và có nhịp độ nước phi thường đổ xuống một cách đáng kinh ngạc khiến người ta sững sờ, đến mức khắp vũ trụ rộng lớn cũng khó có một kỳ quan thứ hai như vậy. [2] Có những thác cao hơn ở nơi khác trên thế giới, nhưng không có dòng chảy nào đáng tin cậy từ mùa này sang mùa khác đến vậy. Vùng Đại Hồ tạo thành nguồn chứa nước đổ vào Niagara, một khu vực rộng gần 230.000 km². Sự thay đổi theo mùa về mực nước hồ hiếm khi vượt quá nửa mét.[3]
Thác Niagara năm 1679: tranh minh họa của Louis Hennepin trong Khám phá mới về một quốc gia rất rộng lớn. Phía trên thác, nơi hồ Erie thu hẹp vào sông Niagara, những người định cư đầu tiên đã thiết lập hệ thống guồng nước dọc theo bờ sông hoặc trên các kênh nhỏ. Chúng hỗ trợ các công trình công cộng của các khu định cư tiên phong: xưởng cưa và cửa hàng thợ rèn, xưởng xay lúa mì, xưởng bện thừng, xưởng thuộc da, những ngôi nhà đầu tiên. Một người định cư đã phát quang một hòn đảo trên sông. Thả dê trên đảo, nó có tên là Đảo Dê. Đến thập niên 1830, dòng sông đã hỗ trợ một loạt các ngành công nghiệp khiêm tốn được xây dựng dọc ven bờ: một nhà máy đinh, một xưởng giấy, một xưởng bột mì, một xưởng cưa khác và một nhà máy len. Hai khách sạn, The Eagle và The Cataract, cung cấp 100 phòng cho người dân và du khách.[4] Năm 1841, hai kỹ sư người Mỹ đã tính toán năng lượng có thể thu được từ thác nước để quay vòng guồng nước ở mức 4,5 triệu mã lực. Công binh Lục quân Mỹ đã khảo sát Đại Hồ vào năm 1868, ước tính tổng năng
lượng của Niagara có thể đạt khoảng 6 triệu mã lực. Nhưng tạo một kênh dẫn nước thông qua thềm đá vôi cứng dày 24 mét của thác Niagara sẽ rất tốn kém, và đào hầm bên dưới đá vôi xuyên qua đá phiến mềm sẽ đòi hỏi phải lót đường hầm với nhiều lớp gạch cứng đắt tiền. Niagara cách Buffalo, thành phố gần nhất, 32 km, không có công nghệ trong tay để cung cấp năng lượng xa đến vậy. Cũng không có đội ngũ công nhân sống gần khu thác hẻo lánh. Trước thập niên cuối thế kỷ 19, thác Niagara là một động cơ tự nhiên hùng mạnh chưa được khởi động. “Tất cả các máy móc để chuyển đổi động năng thành điện năng,” một giảng viên nói với Viện Hàn lâm Nghệ thuật London năm 1881, “đều được thành lập dựa trên khám phá vĩ đại về dòng điện cảm ứng của Faraday, xuất phát từ chuyển động tương đối của nam châm và một cuộn dây.”[5] Thế nhưng những thí nghiệm ban đầu về điện từ của Michael Faraday không dẫn ngay đến ứng dụng thực tế. “Gần như tất cả những khám phá quan trọng đều thông qua một giai đoạn của bỏ bê hoặc mất phương hướng,” Giáo sư W. Grylls Adams tiếp tục giải thích. “Hoặc là sự chú ý của công chúng đã bị chiếm lĩnh sẵn, hoặc những khám phá này đến vào thời điểm mà công chúng chưa sẵn sàng nên bị coi nhẹ.”[6] Đó cũng là những gì đã xảy ra với điện. Các ứng dụng gần như huyền diệu của điện đã giành được sự quan tâm của công chúng: điện báo của Samuel F. B. Morse (1837), điện thoại của Alexander Graham Bell (1876), máy ghi âm của Thomas Edison (1877) và đèn điện (1879). Các máy phát điện ma sát với bình Leyden và pin hóa học tiếp tục là nguồn điện chính cho đến cuối thế kỷ 19. Cả hai đều yếu, hạn chế và đắt tiền so với các sản phẩm từ sự phát triển của hơi nước, các động cơ hơi nước mạnh mẽ, cung cấp năng lượng cho các nhà máy, dâng nước, tàu thủy và vận chuyển hành khách hàng hóa. Trên một quy mô nhỏ hơn nhưng có tính bổ sung, ngựa di chuyển hàng hóa và hành khách trong thành phố và tạo ra năng lượng trực tiếp hoặc bằng cách quay máy xay trong trang trại. Nhiên liệu cần nhất cho nhu cầu sưởi ấm và cung cấp năng lượng cho máy móc là gỗ và than. 70% lượng tiêu thụ năng lượng của Mỹ là từ gỗ vào năm 1870, dịch chuyển thành 70% từ than vào năm 1900.[7] Dầu hỏa là nhiên liệu chiếu sáng giá rẻ nhất là ở những nơi không có sẵn nguồn khí mỏ, và dầu mỏ tăng thị phần khi nhu cầu chiếu sáng và bôi trơn tăng trưởng.
Mặc dù hơi nước có tính cách mạng và là động lực chính của cách mạng công nghiệp, nó có những nhược điểm đáng kể. Vì đầu ra của hơi nước là chuyển động cơ học, nó sẽ có tính cục bộ. Không ai tìm được cách cung cấp nó ở khoảng cách xa ngoài sử dụng cáp, như với xe gắn cáp ở San Francisco và Pittsburgh, hoặc bằng khí nén. Điều đó thật bất tiện, cần tới hai giờ để khởi động động cơ hơi nước và một thợ xúc than thường xuyên để duy tri hoạt động - nghề thủ công hoặc doanh nghiệp nhỏ khó mà đáp ứng được về thời gian hoặc tiền bạc. Khói của động cơ rất hôi, và vì hơi nước là cục bộ, thứ không khí này khiến thành phố bị ô nhiễm nặng nề. Nhưng nếu điện mới chỉ bắt đầu đi vào dịch vụ thương mại, Giáo sư Adams nói với đám khán giả ở London của mình, những khám phá như vậy vẫn có thể “vượt qua giai đoạn phát triển ngầm trong phòng thí nghiệm.”[8] Các phòng thí nghiệm vào giữa thế kỷ 19 đã nghiên cứu một cách có hệ thống các tính chất của điện từ. Nghiên cứu đó song song với sự phát triển của máy phát điện và phiên bản ngược lại của nó: động cơ điện. Quay thiết bị với cơ năng từ một động cơ hơi nước hoặc guồng nước và nó tạo ra dòng điện. Dẫn điện vào thiết bị sẽ tạo ra cơ năng, quay các máy móc như khung dệt hoặc bánh xe điện. Loại dòng điện nào cũng quan trọng. Pin tạo ra một dòng điện liên tục: điện một chiều (DC). Máy phát điện - những cuộn dây quay qua cực đối lập của một nam châm - tạo ra một dòng điện tích đảo chiều thường xuyên: điện xoay chiều (AC). Hai loại dòng điện. Đường giữa biểu thị điện tích bằng 0, với dòng điện dương ở trên và dòng điện âm ở dưới. Vì pin là nguồn điện duy nhất cho đến cuối thế kỷ 19, gần như mọi sự phát triển thương mại của thời đại đã hoạt động bằng điện một chiều điện
áp thấp mà pin tạo ra, giống như điện thoại di động và máy tính xách tay ngày nay. Theo lẽ đó, Thomas Edison đã theo đuổi việc sản xuất điện một chiều để cấp điện cho hệ thống chiếu sáng mà ông đang thiết kế. Thiếu kinh nghiệm với dòng điện xoay chiều, các kỹ sư đã hoài nghi về hệ thống điện xoay chiều. “Họ không thể làm cho nó an toàn,” một trong số họ đã tuyên bố trong một bài giảng mở vào cuối năm 1888, sau khi điện xoay chiều có mặt trên thị trường. “Họ không thể làm cho nó đáng tin cậy… Họ không thể làm cho đèn ổn định [tức là, phát sáng đều đặn, không nhấp nháy]. Họ không thể làm cho đèn có tuổi thọ dài. Họ không thể bán nó theo công tơ. Họ không thể làm cho nó chạy bằng động cơ.”[9] Nhưng họ có thể, và họ đã làm được như vậy. Dòng điện xoay chiều có một lợi thế lớn so với điện một chiều: nó có thể là dễ dàng chuyển đổi thành điện áp cao hơn hoặc thấp hơn. Điện áp, như áp lực nước, di chuyển điện tích. Cường độ dòng điện, giống như lượng nước, mang lại nhiều điện tích hơn. Hai đặc tính này tương tác nghịch đảo nhau. Dùng máy biến áp tăng điện áp thì lại làm giảm cường độ dòng điện ở đầu ra. Tăng điện áp lên cho phép dòng điện xoay chiều chạy trên dây có đường kính nhỏ hơn mà không gặp phải nhiều sự cản trở năng lượng. Điện một chiều thì không như vậy. “Thời đó người ta hay nói thế này,” nhà phát minh người Mỹ William Stanley Jr. đã nhận xét về thời kỳ trước khi điện xoay chiều được giới thiệu như sau, “nếu muốn thắp sáng Đại lộ 5 từ Phố 14 đến Phố 59 [với dòng điện một chiều], các dây dẫn cần thiết sẽ phải to bằng chân một người trưởng thành.”[10] (Dây dẫn có đường kính nhỏ sẽ nóng lên và thậm chí tan chảy trong những điều kiện như vậy, giống như thiết kế cầu chì sử dụng một lần kiểu cũ.) Do đó, dòng điện một chiều có giới hạn vật lý và giới hạn tài chính để phân phối cho địa phương. “Chi phí cho dây đồng để truyền tín hiệu,” ghi chú của một người quan sát đương đại, “có thể quá đắt trong khoảng cách hơn vài trăm thước.”[11] Thomas Edison đã phải phát minh ra nhiều thứ hơn chỉ đơn thuần là ánh sáng điện. Giống như những cá nhân sáng tạo của công nghệ mới, ông phải đối mặt với vấn đề lớn hơn là phát triển và triển khai cơ sở hạ tầng cần thiết để hỗ trợ các phát minh của mình. Đứng sau động cơ hơi nước là một mạng lưới các mỏ và hệ thống phân phối cung cấp than cho hoạt động của nó. Các nhà máy sản xuất tại địa phương và mạng lưới đường ống
ngầm giúp duy trì hệ thống đèn khí. Khi Edison lên kế hoạch cho hệ thống thắp sáng điện một chiều của mình, không muốn sử dụng dây to như chân người, ông mường tượng ra các trạm phát điện quy mô trung bình - những động cơ hơi nước quay máy phát điện một chiều - mô hình hóa hệ thống của mình theo hệ thống đèn khí và thậm chí lắp hệ thống dây điện, giống như khí đốt, trong đường ống ngầm.[12] Với những hạn chế hiện tại của điện một chiều, mô hình đèn khí khá phù hợp với nó, ít nhất là ở quy mô địa phương. Nhưng làm thế nào có thể truyền tải điện từ thành phố này sang thành phố khác? Làm thế nào để các nguồn năng lượng mạnh mẽ như thác Niagara cung ứng điện sinh ra cho các trung tâm dân cư xa xôi cần nó? Hai kỹ sư thảo luận về truyền tải điện vào năm 1879 được trích rằng “một kỹ sư điện nào đó” - có lẽ là Edison - “đã khẳng định rằng độ dày của cáp cần thiết để truyền tải dòng điện có thể được tạo ra từ sức mạnh của thác Niagara sẽ tiêu tốn nhiều đồng hơn tổng lượng dự trữ đồng ở khu vực Ngũ Đại Hồ.”[13] Edison biết vấn đề ông gặp phải: điện một chiều khó truyền tải. Nó phải được sử dụng ở điện áp thấp. Việc chuyển đổi chẳng dễ dàng. Phương pháp tiêu chuẩn của biến đổi điện một chiều từ điện áp này sang điện áp khác bao gồm (a) dùng dòng điện một chiều để chạy một động cơ một chiều nhằm (b) quay máy phát tạo ra dòng điện xoay chiều, (c) máy biến áp sau đó nâng dòng điện lên điện áp cao hơn, sau đó (d) một thiết bị gọi là chỉnh lưu chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Suy cho cùng, dòng điện cao áp một chiều chuyển trở lại điện áp thấp cần một lần nữa đi qua hệ thống máy phát điện. Một quá trình phức tạp như vậy là không hiệu quả, với tổn thất hiệu năng ở từng giai đoạn và chi phí tăng tương ứng. Edison đã cố gắng chí ít là để nới lỏng nút thắt giới hạn này. Để mở rộng phạm vi dịch vụ của mình, ông đã phát triển một hệ thống ba dây, cho phép cung cấp dòng điện một chiều với chi phí hợp lý đến một khu vực xung quanh trạm phát lớn gấp ba lần hệ thống hai dây trước đây. [14] Nhưng việc truyền điện đường dài vẫn là bài toán khó. Vấn đề không phải là lỗi thiết kế mà là về vật lý cơ bản. Nhà phát minh có nghiên cứu dẫn đến việc áp dụng điện xoay chiều để truyền đường dài là một người New England thế hệ thứ tám tên William Stanley Jr., sinh ra ở Brooklyn vào năm 1858. Lớn lên ở Great Barrington,
Massachusetts, ngôi nhà tổ tiên ông nằm ở dãy núi Berkshire, Stanley đã thể hiện một năng khiếu kỹ thuật khác biệt, sửa chữa đồng hồ, cài đặt một đường dây điện tín giữa nhà ông và nhà một người bạn, và duy trì một động cơ hơi nước nhỏ mà một người họ hàng đã cho ông.[15] Cha của Stanley là một luật sư nổi tiếng muốn con trai mình theo đuổi ngành luật. Chàng trai hai mươi tuổi này đã khởi đầu đúng như vậy, trúng tuyển vào Đại học Yale năm 1879. Tuy nhiên, những lựa chọn khác khiến anh mất tập trung, bao gồm cả một giấc mơ lãng mạn phiêu lãng nơi miền tây. “Tôi đã không học gì rồi bỏ đại học vào Giáng sinh,”[16] Stanley kể sau này. Điện vẫn chưa phải là một lĩnh vực chuyên nghiệp vào năm 1879. “Ngày nay, kỹ sư hiện đại khó có thể tưởng tượng được các điều kiện của thời đó,” Stanley thuyết giảng cho khán giả vào năm 1912. “Xin hãy nhớ rằng có rất ít sách về kỹ thuật điện, không có công thức, ngoại trừ những công thức ẩn trong nghiên cứu khoa học, không có danh pháp và hầu như không có bất kỳ thông tin nào về hiện tượng điện xoay chiều.” [17] Những cơ hội đó, thay vì những giấc mơ phiêu lãng nơi miền tây, có lẽ là lý do khiến nhà phát minh trẻ bỏ học Yale. “Con ngán đến tận cổ rồi,” Stanley đột ngột viết cho cha mẹ mình từ New Haven trong kỳ nghỉ lễ, “con sẽ đến New York.”[18] Cha ông đã rất tức giận. Một tháng trước, vào tháng 11 năm 1879, Thomas Edison đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho “chiếc đèn điện” của mình.[19] Để tìm hiểu lĩnh vực mới, Stanley đã đăng ký làm thợ điện học việc trong một nhà máy điện báo và thiết bị báo cháy. Một năm sau, sau khi đã hòa giải với cha mình, ông vay 2.000 đô-la (50.000 đô-la ngày nay) của cha và mua một cửa hàng mạ kền, nơi ông học về điện hóa. Ông hoàn trả hết khoản vay đó trong vòng một năm và tìm được việc với Hiram Maxim, người phát minh ra súng máy Maxim nhưng lúc đó giữ vị trí kỹ sư trưởng của Công ty Điện Chiếu sáng New York, một đối thủ của Edison.[20] “Cậu ta còn rất trẻ,” Maxim nhớ về Stanley, người mới hai mươi hai tuổi vào năm 1880. “Cao dong dỏng và gầy, nhưng yếu kém gì về thể chất, cậu ấy bù lại bằng lượng việc. Lúc nào cũng sôi sục nhiệt huyết. Không có việc gì đủ nhanh đối với cậu ấy.”[21] Năm 1881, Maxim yêu cầu Stanley cài đặt hệ thống chiếu sáng đèn sợi đốt mở rộng đầu tiên ở Thành phố New York, trong nhà thuốc Caswell-Massey ở khách sạn Đại lộ 5 trên
đường Broadway, được cung cấp điện bởi máy phát điện Maxim số 20 với công suất bằng hàng trăm đèn Maxim. Stanley chạy một dây cách điện từ cửa hàng máy móc Maxim tại Đại lộ 6 và Đường 26, nơi đặt máy phát điện và động cơ hơi nước, dọc theo đại lộ đến mái khách sạn và vào đèn chùm của nhà thuốc, nối đất trở lại vào đường ống khí đốt của cửa hàng.[22] Maxim đã đến Pháp vào năm 1881 để đại diện cho công ty của mình tại Đấu xảo Paris năm đó. Trong khi ở đó, ông vẽ những thiết kế đầu tiên của súng máy, một vũ khí đáng gờm có thể bắn hơn 600 viên đạn một phút và sẽ giúp ông trở nên giàu có và nổi tiếng khi phát minh của ông với nhiều cỡ nòng đa dạng được mua bởi hầu hết các quân đội và hải quân lớn trên thế giới.[23] Từ Paris, ông chuyển đến London; ông sẽ không trở về Mỹ trong nhiều năm. Có lẽ vì Maxim đã ra đi, Stanley đã rời khỏi Công ty Điện Chiếu sáng vào năm 1882 và chuyển đến Boston để phát triển sản phẩm cho Điện Chiếu sáng Swan, cho phép ông có thời gian cho các thí nghiệm của riêng mình. Lòng quyết tâm kết hợp với sự thiếu kiên nhẫn của Stanley một lần nữa làm “đoản mạch” khả năng giữ công ăn việc làm của ông. Trong vài tháng sau khi đến Boston, ông đã bỏ việc ở công ty Swan và chuyển đến sống cùng cha mẹ ở Englewood, New Jersey. Ông thiết lập phòng thí nghiệm của riêng mình ở đó. Trong một thời gian, ông chế tạo không thành công pin lưu trữ. Sau đó, ông chuyển sang phát minh ra một máy phát điện sẽ giải quyết một trong những vấn đề cơ bản của việc tạo ra điện đương thời: sự nhấp nháy của đèn điện khi máy phát điện cấp năng lượng cho chúng có sự thay đổi tải điện. Hầu hết mỗi người chúng ta đều từng trải nghiệm hiện tượng đèn mờ đi khi bật tủ lạnh hoặc lò sưởi. Với các máy phát điện nguyên thủy thời Stanley, điểm yếu kỹ thuật đó rất phổ biến và liên tục, là lý do vì sao nhiều người do dự trong việc thay thế đèn khí của họ bằng đèn điện. Đèn Edison phải được điều chỉnh bằng tay bất cứ khi nào đèn hoặc mô tơ khác trong mạch điện được bật hoặc tắt. Đến năm 1883, Stanley đã nghĩ ra ý tưởng về một máy phát điện xoay chiều với mạch hồi tiếp thứ cấp: một cặp cuộn dây phụ nhỏ tự động nối vào hay cắt khỏi mạch để tạo sự ổn định bất cứ khi nào điện áp tụt. Một ngày nọ, khi đang ngồi trên một chuyến tàu, mê mải với vô vàn ý tưởng mới, thì em trai của George Westinghouse, Herman, tình cờ ngồi xuống cạnh ông. Họ bắt đầu trò chuyện; chẳng mấy chốc Stanley nói với Herman
ý tưởng của mình về máy phát điện xoay chiều tự điều chỉnh.[24] Herman là người có khả năng nhận biết đầu là ý tưởng hay. Ông đã kết nối Stanley với George, người phát triển thành công phanh khí nén cùng các máy móc đường sắt khác giúp cho các chuyến tàu dài và vận chuyển đường dài trở nên thực tế. George vừa mới xem xét bước vào lĩnh vực điện chiếu sáng, theo đuổi công nghệ điện xoay chiều thay vì điện một chiều. Ông đã tuyển dụng một nhóm các kỹ sư trẻ để xây dựng nền tảng kiến thức chuẩn chỉnh cho bản thân, nhưng ông vẫn chưa toàn tâm toàn ý với nó. Nghiên cứu của Stanley chính là đòn bẩy thuyết phục được ông. Đầu năm 1884, ông đã thuê chàng kỹ sư hai mươi lăm tuổi để phát triển một hệ thống điện xoay chiều hoàn chỉnh, từ máy phát điện đến mô tơ và chiếu sáng.[25] Westinghouse đã thuê Stanley làm kỹ sư trưởng. Vào năm 1884, dự án đầu tiên của nhà phát minh trẻ là thiết lập một nhà máy quy mô hoàn chỉnh ở Pittsburgh để sản xuất đèn sợi đốt dựa trên thiết kế của riêng mình. Tại đó, ông bỏ qua công nghệ sợi tơ lỗi thời sang sợi làm từ leucine, một dạng tinh thể màu trắng của acid amin chiết xuất từ lá lách động vật, tuyến tụy hoặc não. Nó có thể được ép bằng máy xay như mì ống thành một sợi đồng nhất, cắt và tạo hình theo ý muốn, và sau đó carbon hóa.[26] Tuy nhiên Stanley vẫn trăn trở về dẫn điện đường dài. “Trong suốt năm bận rộn này,” ông nhớ lại vào năm 1912, “tôi vẫn nghĩ đến vấn đề phân phối nan giải. Nó đã trở thành tham vọng vào thời điểm này - tham vọng bí mật của tôi, nếu phải thú nhận. Vài lần trong năm, tôi định dành thời gian cho nó nhưng phải chờ đến tận mùa thu.” Chưa có thời gian để phát triển máy phát điện xoay chiều tự điều chỉnh của mình, ông thử nghiệm với việc chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều sử dụng một dạng khác của cuộn dây cảm ứng. “Nó chạy được,” ông nhớ lại, “đến một chừng mực nào đó nhưng trời ơi nó phát sáng mới đẹp làm sao!”[27] Vào mùa xuân năm 1885, Stanley ngã bệnh. Không có ghi chép về tình trạng bệnh tật cụ thể, nhưng ông có nói về sự suy yếu “khả năng quản lý nhà máy ở Pittsburgh và guồng công việc của nó. Bác sĩ khuyên ông nên chuyển về nông thôn, điều đó cho thấy rằng ô nhiễm khói độc hại từ ngành sắt thép đang bùng nổ của Pittsburgh đã phá hoại phổi của ông. Stanley cũng chán nản với tiến độ phát triển chậm chạp của công nghệ mới: “Tôi khá nản lòng với môi trường không phù hợp xung quanh, công việc thì khó khăn còn kết quả thì nhỏ giọt.”[28]
Sau đó Westinghouse can thiệp bằng một ý tưởng giúp Stanley đột phá. “Một ngày nọ, khi công việc thử nghiệm gây khó cho tôi, Ngài Westinghouse nói với tôi rằng ông có một lựa chọn hợp tác với Gaulard & Gibbs” - đối tác điện năng ở châu Âu - “và đề nghị gửi cho tôi máy phát điện xoay chiều (Siemens) và cuộn cảm của họ.”[29] Máy phát điện xoay chiều Siemens là một phiên bản giống với thứ Stanley đang cố gắng phát triển. Vận hành nhờ một động cơ hơi nước, nó tạo ra dòng điện xoay chiều cao áp. Dòng điện đó sau đó được đưa vào một cuộn cảm để giảm điện áp đủ để cấp năng lượng cho đèn điện. Nhưng bởi vì các cuộn cảm đã được kết nối thành chuỗi, giống như đèn cây thông giáng sinh, chúng có một dòng điện chung, có nghĩa hiệu điện thế của nó thay đổi theo nhu cầu, làm cho đèn nhấp nháy và có nguy cơ quá tải nếu bất kỳ bộ phận nào lỗi. Đột phá của Stanley đến từ việc nghiên cứu hệ thống Siemens. Ông nhận ra nếu có thể tạo ra một cuộn cảm - một “máy biến áp” như ông gọi - mắc song song thay vì mắc nối tiếp thì mỗi cuộn dây sẽ hoạt động độc lập. Sự sắp xếp đó sẽ giữ cho dòng điện ổn định bất kể nhu cầu ngay cả khi một có bộ phận hỏng. “Vấn đề sẽ được giải quyết một cách tinh tế,” ông hả hê. Giải pháp này tương tự như hệ thống được sử dụng trong một số loại mô tơ điện để điều chỉnh tốc độ của chúng. “Lúc đầu, tôi nhớ lờ mờ về sự tương đồng này nhưng ngay sau đó tôi có niềm tin mạnh mẽ và rõ ràng. Tôi đã rất phấn khích bởi nó dường như quá đơn giản và quá dễ dàng để có thể là sự thật. Tôi gần như sợ tin vào hay đả động đến nó, vì tôi đã trải qua rất nhiều thất vọng cũng như phải lo lắng và làm việc quá sức; nhưng khi niềm tin của tôi tăng lên và được củng cố, tôi đã có được sự can đảm. Sau đó, tôi thấy rõ rằng giải pháp thực sự đã xuất hiện.”[30] Westinghouse lúc đó chưa phải là chuyên gia về điện như sau này. Ông vẫn còn bận tâm với hệ thống an toàn đường sắt và khí đốt tự nhiên. Ông đã hỏi một cố vấn chuyên gia, Franklin Pope, một luật sư về bằng sáng chế, đồng phát minh với Edison về máy báo chỉ số chứng khoán, cũng là biên tập viên của tạp chí Electrical Engineer, để thay mặt ông đánh giá ý tưởng của Stanley. Stanley đã cố gắng giải thích với Pope rằng việc kết nối máy biến áp song song, như kết nối một mô tơ song song, sẽ tự động điều chỉnh dòng điện. “Tôi đã diễn thuyết hùng hồn về quy trình tự điều chỉnh của hệ thống
kết nối song song,” ông nhớ lại, “và cố gắng hết sức để mô tả hiện tượng rõ ràng cho ông ấy. Nhưng nhận thức của Pope đến chậm hơn kha khá so với sự kiên nhẫn của tôi.”[31] Cái nhìn sâu sắc của Stanley nằm ở chỗ máy biến áp nối song song có thể được sử dụng để tăng điện áp từ máy phát điện trong khi hạ cường độ dòng điện. Điện áp cao hơn và cường độ dòng điện thấp hơn sẽ loại bỏ sự cần thiết của dây dẫn dày, nặng và khiến việc truyền tải điện hiệu quả qua khoảng cách lớn trở nên khả thi. Ở đẩu kia của đường truyền, quá trình tương tự ngược lại có thể giảm điện áp theo yêu cầu của địa phương trong khi tăng cường độ dòng điện để mức năng lượng đủ mạnh.
Mạch điện nối tiếp và mạch song song Dường như Pope chỉ nghe được con số cho điện áp cao mà Stanley để xuất, rõ ràng là không hiểu rằng cường độ dòng điện, không phải điện áp, mới nguy hiểm chết người. (Một hàng rào điện sử dụng pin 9 volt để sạc tụ điện khoảng 8.000 volt, đồng thời giảm cường độ dòng điện xuống còn khoảng 0,1 amp. Lỡ chạm vào hàng rào điện gây cảm giác như chuột rút cơ bắp ngắn, khó chịu, nhưng vô hại. Một mạch điện gia dụng của Mỹ hoạt
động ở mức 120 volt và 15 amp, do cường độ dòng điện cao hơn nên đương nhiên sẽ nguy hiểm hơn nhiều, mặc dù thường không đến mức tử vong.) Pope đã không hiểu. Ông nói với Stanley rằng tăng một dòng điện lên 500 volt sẽ có nguy cơ gây hỏa hoạn hoặc giật chết người. Stanley kết luận, “Ông ấy nghi hoặc và không chấp thuận kế hoạch này.”[32] Vì sự không tán thành của Pope, George Westinghouse đã không trực tiếp ủng hộ cho đề xuất của Stanley muốn trình diễn công khai để chứng minh nguyên lý truyền tải đường dài của dòng điện xoay chiều là thực tế. Mặc dù bệnh của Stanley trở nặng mùa xuân năm đó, ông quyết tâm dùng tiền riêng để đầu tư và tin tưởng vào sự đột phá này. Ông đã bán một nửa cổ phiếu Westinghouse của mình và đồng ý sử dụng số tiền thu được để thí nghiệm. Giả sử hệ thống Stanley hoạt động trơn tru thì đó là một thỏa thuận tốt cho Westinghouse. Stanley nhìn xa và tuyên bố vào năm 1912 rằng thỏa thuận đó có vẻ “hoàn toàn một chiều, vì tôi không được hưởng lợi gì ngoại trừ tư cách cổ đông trong công ty.” Tuy một chiều là vậy, nhưng Stanley đã rất hạnh phúc khi được rời khỏi thành phố khói bụi để trở về Great Barrington, nơi màn trình diễn sẽ diễn ra, rằng ông nhớ “đó là thỏa thuận hời nhất trong đời tôi… Chúng tôi rũ sạch bụi bẩn của Pittsburgh khủng khiếp trên người, và vội vã đến những cánh đồng xanh Berkshire để xây một phòng thí nghiệm và đón nhận thành công hay diệt vong trong sự nghiệp của chúng tôi.”[33] Trước khi Stanley và gia đình rời Pittsburgh vào đầu hè năm 1885, ông tập trung hết sức để thiết kế và xây dựng một số máy biến áp cho kết nối song song. Một trong số đó, ông nhớ lại vào năm 1912, có cuộn cảm sơ cấp điện áp 500 volt cùng một cuộn cảm thứ cấp sẽ giảm điện áp xuống 100 volt, trở thành “nguyên mẫu của mọi máy biến áp kể từ khi nó được chế tạo.” Dự án đó và việc chuyển đến Great Barrington đã đánh gục Stanley; ông đổ bệnh trong suốt