Hans Christian Ørsted Là Ai? Thí Nghiệm 1820 Và Nền Tảng Của Động Cơ Điện

Hans Christian Ørsted (1777–1851) là nhà vật lý và hóa học người Đan Mạch, người đầu tiên chứng minh bằng thí nghiệm rằng dòng điện tạo ra từ trường: năm 1820, ông quan sát thấy kim la bàn bị lệch khi đặt gần một dây dẫn có dòng điện chạy qua. Phát hiện này mở ra ngành điện từ học, nền tảng trực tiếp của nam châm điện, rơ le, động cơ điện, máy phát điện và máy biến áp ngày nay. Bài viết trình bày tiểu sử Ørsted, thí nghiệm năm 1820 và cách giải thích theo vật lý hiện đại, các đóng góp khác của ông, đơn vị oersted (Oe) và sự gắn kết giữa phát hiện ấy với chiếc motor điện đang chạy trong nhà xưởng.

Mục lục

• 1. Hans Christian Ørsted là ai?
• 2. Tuổi thơ, học vấn và con đường khoa học của Ørsted
• 3. Thí nghiệm Ørsted năm 1820: phát hiện dòng điện sinh ra từ trường
• 4. Giải thích thí nghiệm Ørsted theo vật lý hiện đại
• 5. Từ phát hiện của Ørsted đến động cơ điện và máy phát điện
• 6. Những đóng góp khác của Hans Christian Ørsted
• 7. Đơn vị oersted (Oe) và di sản mang tên Ørsted
• 8. Ứng dụng thực tế của hiệu ứng Ørsted trong kỹ thuật điện
• 9. Câu hỏi thường gặp về Hans Christian Ørsted và điện từ học

1. Hans Christian Ørsted là ai?

Hans Christian Ørsted (tên thường viết không dấu là Oersted hoặc Orsted) sinh ngày 14 tháng 8 năm 1777 tại Rudkøbing trên đảo Langeland, Đan Mạch, mất ngày 9 tháng 3 năm 1851 tại Copenhagen. Ông là giáo sư Đại học Copenhagen, người phát hiện tác dụng từ của dòng điện, người đầu tiên điều chế được nhôm kim loại (dù còn lẫn tạp chất) và là người sáng lập trường Bách khoa Copenhagen, tiền thân của Đại học Kỹ thuật Đan Mạch (DTU).

Trong lịch sử ngành điện, tên Ørsted gắn với một mốc rất cụ thể: trước năm 1820, điện và từ được xem là hai hiện tượng riêng biệt; sau thí nghiệm của ông, giới khoa học châu Âu chỉ mất khoảng mười năm để đi từ cây kim la bàn lệch hướng đến nam châm điện, động cơ điện thô sơ và định luật cảm ứng điện từ.

2. Tuổi thơ, học vấn và con đường khoa học của Ørsted

Ørsted là con trai một dược sĩ ở thị trấn nhỏ Rudkøbing. Thời thơ ấu, ông cùng em trai Anders Sandøe Ørsted (sau này là luật gia và Thủ tướng Đan Mạch) học phần lớn kiến thức nhờ tự đọc sách và phụ việc trong hiệu thuốc của cha. Chính công việc pha chế thuốc đã cho ông nền tảng hóa học thực hành từ rất sớm.

Năm 1794, hai anh em lên Copenhagen học đại học. Ørsted đỗ kỳ thi dược sĩ năm 1797 với thành tích xuất sắc và nhận bằng tiến sĩ năm 1799 với luận án về triết học tự nhiên của Kant. Từ 1801 đến 1803, ông đi khảo sát khoa học khắp Đức, Pháp, Hà Lan và làm quen với Johann Wilhelm Ritter, nhà vật lý cùng tin rằng giữa điện và từ phải có mối quan hệ. Năm 1806, Ørsted được bổ nhiệm làm giáo sư tại Đại học Copenhagen, giảng dạy vật lý và hóa học.

Ngoài điện học, Ørsted còn nghiên cứu âm học (hình ảnh dao động Chladni trên tấm kim loại) và độ nén của chất lỏng. Ông có quan điểm rằng các lực trong tự nhiên đều có chung một gốc, nên kiên trì tìm kiếm tác dụng qua lại giữa điện và từ trong nhiều năm, trong khi nhiều nhà khoa học đương thời coi chuyện đó là không thể.

Đọc thêm về lịch sử và phân loại động cơ điện tại bài Tổng quan về motor điện.

3. Thí nghiệm Ørsted năm 1820: phát hiện dòng điện sinh ra từ trường

Mùa xuân năm 1820, trong một buổi giảng buổi tối cho sinh viên, Ørsted cho dòng điện từ một pin Volta chạy qua sợi dây bạch kim đặt gần một kim la bàn. Kim la bàn dịch khỏi hướng Bắc – Nam một chút. Hiệu ứng khá yếu vì nguồn pin thời đó nhỏ, nên ông chưa công bố ngay mà dành vài tháng sau đó làm thí nghiệm kỹ hơn với bộ pin lớn hơn.

Ngày 21 tháng 7 năm 1820, Ørsted gửi đến các viện hàn lâm và tạp chí khoa học châu Âu một bản báo cáo bằng tiếng Latinh dài 4 trang, mô tả những quan sát chính:

• Khi đặt dây dẫn song song phía trên kim la bàn, kim lệch về một phía; đặt dây phía dưới kim, kim lệch về phía ngược lại.
• Đổi chiều dòng điện thì chiều lệch của kim cũng đảo ngược.
• Tác dụng vẫn còn khi chắn giữa dây và kim bằng thủy tinh, gỗ, kim loại không nhiễm từ, nước hay nhựa.
• Lực tác dụng không hút hay đẩy kim theo đường thẳng mà có xu hướng làm kim quay vòng quanh dây dẫn, tức từ trường của dòng điện có dạng vòng tròn bao quanh dây.

Điểm cuối cùng là phát hiện mang tính bước ngoặt: lần đầu tiên người ta thấy một lực không hướng theo đường nối hai vật như lực hấp dẫn hay lực tĩnh điện. Chỉ vài tuần sau khi bản báo cáo đến Paris, André-Marie Ampère đã lặp lại thí nghiệm và chứng minh hai dây dẫn có dòng điện hút hoặc đẩy nhau; tháng 10 năm 1820, Biot và Savart công bố định luật tính từ trường của dòng điện.

4. Giải thích thí nghiệm Ørsted theo vật lý hiện đại

Ngày nay, thí nghiệm Ørsted được giải thích bằng định luật Ampère và định luật Biot – Savart: mọi dòng điện (một chiều hay xoay chiều) đều tạo ra từ trường xung quanh. Với một dây dẫn thẳng dài, các đường sức từ là những vòng tròn đồng tâm nằm trong mặt phẳng vuông góc với dây.

• Chiều đường sức: xác định bằng quy tắc nắm tay phải: ngón cái chỉ chiều dòng điện, bốn ngón khum lại chỉ chiều đường sức từ.
• Độ lớn cảm ứng từ: B = μ0 × I / (2π × r), trong đó μ0 = 4π × 10⁻⁷ H/m, I là dòng điện (A), r là khoảng cách từ dây (m).
• Ví dụ số: dây mang dòng 10 A, tại điểm cách dây 1 cm có B = 2 × 10⁻⁷ × 10 / 0,01 = 2 × 10⁻⁴ T = 200 µT. Thành phần nằm ngang của từ trường Trái Đất ở Việt Nam chỉ khoảng 35–40 µT, vì vậy kim la bàn lệch rất rõ.
• Vì sao kim lệch chứ không quay hẳn 90°: kim chịu đồng thời từ trường Trái Đất và từ trường của dây; nó dừng theo hướng của từ trường tổng hợp. Dòng càng lớn, dây càng gần, kim càng tiến gần phương vuông góc với dây.

• Công thức áp dụng cho dây thẳng, dài, đứng riêng lẻ; cáp nhiều lõi mang dòng đi và về sát nhau thì từ trường bên ngoài gần như triệt tiêu.
• Gần vật liệu sắt thép, từ trường bị méo, số đo thực tế khác bảng.
• Dòng xoay chiều 50 Hz đổi chiều quá nhanh, kim la bàn chỉ rung nhẹ chứ không lệch hẳn về một phía.

5. Từ phát hiện của Ørsted đến động cơ điện và máy phát điện

Phát hiện của Ørsted là mắt xích đầu tiên của một chuỗi khám phá diễn ra rất nhanh:

Trong một chiếc motor điện 3 pha hiện đại, hiệu ứng Ørsted xuất hiện ở ngay cuộn dây stator: dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra từ trường, ba cuộn lệch nhau 120° tạo ra từ trường quay. Từ trường này cảm ứng dòng điện trong rotor (định luật Faraday), rồi dòng điện trong rotor chịu lực điện từ làm trục quay. Có thể nói Ørsted đặt viên gạch đầu tiên, còn Faraday, Ampère, Maxwell và Tesla xây tiếp phần còn lại.

6. Những đóng góp khác của Hans Christian Ørsted

a. Trong hóa học

• Điều chế nhôm (1825): Ørsted khử nhôm clorua bằng hỗn hống kali, thu được những hạt kim loại có ánh giống thiếc. Đây là lần đầu tiên nhôm được tách ở dạng kim loại, dù còn lẫn tạp chất; Friedrich Wöhler hoàn thiện phương pháp vào năm 1827.
• Tách piperine (1819): hoạt chất tạo vị cay của hạt tiêu.
• Nghiên cứu độ nén của chất lỏng và khí: ông chế tạo dụng cụ đo độ nén của nước, góp phần vào hiểu biết về tính chất vật lý của chất lỏng.

b. Trong giáo dục và phổ biến khoa học

• Năm 1824, ông lập Hội Phổ biến Khoa học Tự nhiên Đan Mạch, tổ chức các buổi giảng khoa học cho người dân ngoài trường đại học.
• Năm 1829, ông sáng lập và làm hiệu trưởng trường Bách khoa Copenhagen, nay là Đại học Kỹ thuật Đan Mạch (DTU), một trong những trường kỹ thuật hàng đầu châu Âu.
• Ông là người đưa thuật ngữ "thí nghiệm tưởng tượng" (Gedankenexperiment) vào sử dụng và đặt nhiều từ khoa học mới cho tiếng Đan Mạch.

7. Đơn vị oersted (Oe) và di sản mang tên Ørsted

Năm 1932, đơn vị cường độ từ trường H trong hệ CGS được đặt tên oersted (ký hiệu Oe). Trong hệ SI, cường độ từ trường đo bằng ampe trên mét (A/m), còn cảm ứng từ B đo bằng tesla (T). Đơn vị Oe đến nay vẫn dùng rất phổ biến trong catalog nam châm vĩnh cửu và vật liệu từ.

• Trong không khí, 1 Oe tương ứng cảm ứng từ 1 G (0,1 mT), nên hai đơn vị hay bị dùng lẫn; trong vật liệu từ thì khác hẳn.
• Lực kháng từ (coercivity) của nam châm NdFeB ghi bằng kOe, ví dụ cấp N35 có Hcj khoảng 12 kOe trở lên.
• Từ dư Br ghi bằng T hoặc kG, ví dụ N35 khoảng 1,17–1,21 T (11,7–12,1 kG).

Tên Ørsted còn được đặt cho Huy chương H. C. Ørsted của Đan Mạch, Huy chương Oersted của Hiệp hội Giáo viên Vật lý Hoa Kỳ trao cho những người có đóng góp xuất sắc trong giảng dạy vật lý, và vệ tinh Ørsted của Đan Mạch phóng năm 1999 để đo từ trường Trái Đất.

8. Ứng dụng thực tế của hiệu ứng Ørsted trong kỹ thuật điện

Mọi thiết bị dùng dòng điện để tạo lực từ đều là hậu duệ trực tiếp của thí nghiệm Ørsted. Một số ứng dụng thường gặp trong nhà xưởng và dân dụng:

• Động cơ điện: cuộn dây stator của motor 3 pha, motor 1 pha, motor giảm tốc tạo từ trường để kéo rotor quay.
• Nam châm điện, rơ le, contactor, khởi động từ: cuộn hút có dòng điện biến lõi sắt thành nam châm, đóng cắt tiếp điểm.
• Phanh điện từ của motor phanh: cuộn dây được cấp điện thì hút má phanh nhả ra, mất điện thì lò xo đóng phanh.
• Van điện từ (solenoid valve): lực từ kéo lõi van đóng mở dòng nước, khí, dầu.
• Ampe kìm và cảm biến dòng Hall: đo dòng điện qua từ trường bao quanh dây mà không cần cắt mạch, đúng như cách kim la bàn "cảm nhận" dòng điện trong thí nghiệm năm 1820.
• Loa, cuộn cảm, máy biến áp, máy phát điện: đều dựa trên mối quan hệ hai chiều giữa dòng điện và từ trường.

9. Câu hỏi thường gặp về Hans Christian Ørsted và điện từ học

a. Người sắp mua cần hỏi gì, xác minh gì

• Khi mua motor nam châm vĩnh cửu, thông số Oe trong catalog nói lên điều gì? Đơn vị oersted thường xuất hiện ở lực kháng từ Hcj của nam châm rotor, ví dụ 12 kOe, 20 kOe hay 30 kOe. Hcj càng cao, nam châm càng khó bị khử từ khi motor nóng hoặc bị quá dòng. Nam châm cấp SH (Hcj ≥ 20 kOe) chịu được khoảng 150°C, cấp thường chỉ khoảng 80°C, nên với motor chạy nóng, motor trong tủ kín, cần hỏi rõ cấp nam châm thay vì chỉ hỏi công suất.
• Ampe kìm đo dòng motor dựa trên nguyên lý nào, có cần loại đắt không? Ampe kìm đo từ trường bao quanh dây dẫn, chính là hiệu ứng Ørsted. Loại biến dòng chỉ đo được AC; muốn đo dòng DC (motor một chiều, mạch DC bus của biến tần, ắc quy) phải chọn ampe kìm có cảm biến Hall ghi rõ "AC/DC". Với motor chạy biến tần, nên chọn loại True RMS để đọc đúng dòng méo dạng.
• Mua cảm biến dòng hoặc cảm biến Hall cho tủ điện cần xác minh gì? Cần hỏi dải đo (ví dụ 0–50 A, 0–200 A), ngõ ra (4–20 mA, 0–10 V, 0–5 V), cấp chính xác (thường 0,5–1%) và khả năng chống nhiễu từ trường ngoài. Cảm biến Hall đặt gần cáp động lực dòng lớn có thể bị đọc sai nếu không có vỏ chắn từ.
• La bàn, đồng hồ đo từ trường (gaussmeter) đọc theo đơn vị nào? Đa số gaussmeter hiển thị mT hoặc G, một số hiển thị cả Oe và kA/m. Khi đối chiếu với catalog nam châm hoặc yêu cầu khử từ chi tiết sau gia công, phải chắc chắn hai bên dùng cùng đơn vị, nhớ 1 mT = 10 G và 1 kOe ≈ 79,58 kA/m.
• Thiết bị đặt gần motor lớn có bị ảnh hưởng bởi từ trường không? Cáp động lực mang hàng trăm ampe tạo từ trường hàng trăm µT ở khoảng cách vài cm. Khi mua cân điện tử, cảm biến từ, la bàn điện tử, encoder từ để lắp gần motor, nên hỏi nhà sản xuất mức chịu nhiễu từ trường tần số công nghiệp (thường thử theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-8, ví dụ 30 A/m hoặc 100 A/m).
• Contactor, rơ le, van điện từ có cuộn hút điện áp nào? Cuộn hút là một nam châm điện, chỉ tạo đủ lực khi được cấp đúng điện áp và đúng loại AC hay DC. Cuộn 220 VAC cấp 24 VDC sẽ không hút; cuộn 24 VDC cấp 220 VAC sẽ cháy. Đây là điều cần ghi rõ khi đặt mua.

b. Người đã mua: lắp sao cho đúng, dùng sao cho tối ưu

• Đo dòng motor 3 pha bằng ampe kìm thế nào cho đúng? Kẹp vào từng sợi pha riêng lẻ. Nếu kẹp cả sợi cáp 3 lõi, tổng ba dòng điện gần bằng 0 nên từ trường bên ngoài triệt tiêu và đồng hồ chỉ gần 0 A, dù motor đang chạy tải nặng. Dòng ba pha cân bằng tốt thì chênh lệch giữa các pha thường dưới 5–10%.
• Đi cáp động lực cho motor sao cho ít nhiễu? Đi ba pha (và dây PE) của cùng một mạch sát nhau, lý tưởng nhất là cáp nhiều lõi, để từ trường của các pha bù trừ nhau. Tách cáp tín hiệu (encoder, cảm biến, 4–20 mA) khỏi cáp động lực tối thiểu 20–30 cm, cắt ngang thì cắt vuông góc.
• Vì sao cáp đơn lõi đi qua tấm thép lại bị nóng? Khi từng pha của cáp đơn lõi đi qua các lỗ riêng trên tấm thép, từ trường không bù trừ sẽ tạo dòng xoáy và tổn hao từ trễ, làm tấm thép quanh lỗ nóng lên. Với dòng lớn (thường từ khoảng 100–200 A trở lên), nên đưa cả ba pha qua cùng một lỗ hoặc dùng tấm đỡ bằng nhôm, inox không nhiễm từ.
• La bàn điện tử, cảm biến từ đặt gần motor cần lưu ý gì? Giữ khoảng cách đủ xa thân motor và cáp nguồn; nếu bắt buộc đặt gần thì hiệu chỉnh cảm biến khi motor đang chạy ở chế độ làm việc thường xuyên, vì từ trường lúc đứng yên và lúc chạy khác nhau.
• Phanh điện từ của motor phanh nhả không dứt khoát thì kiểm tra gì? Phanh là nam châm điện, lực hút phụ thuộc dòng qua cuộn dây và khe hở má phanh. Đo điện áp tại cuộn phanh (thường 99 VDC, 170 VDC hoặc 24 VDC sau bộ chỉnh lưu), kiểm tra khe hở theo hướng dẫn (thường 0,2–0,5 mm) và bộ chỉnh lưu trước khi kết luận cuộn phanh hỏng.
• Có thể dùng thí nghiệm Ørsted để dò dây đang có điện không? Với dòng DC đủ lớn, một chiếc la bàn đặt sát dây sẽ lệch, có thể dùng để kiểm tra nhanh mạch ắc quy, mạch nạp. Với dòng AC 50 Hz, kim chỉ rung nhẹ nên cần ampe kìm hoặc bút thử không tiếp xúc.

c. Các lỗi người dùng thường mắc và cách chỉnh sửa

• Cho rằng Ørsted phát minh ra động cơ điện. Ørsted phát hiện dòng điện sinh ra từ trường; thiết bị quay điện từ đầu tiên là của Faraday năm 1821, còn động cơ điện một chiều có công suất thực dụng ra đời từ những năm 1830. Cách sửa: nhớ mốc 1820 là tác dụng từ của dòng điện, 1821 là chuyển động quay điện từ, 1831 là cảm ứng điện từ.
• Nhầm Ørsted phát hiện cảm ứng điện từ. Hiện tượng từ trường biến thiên sinh ra dòng điện là của Faraday (1831). Ørsted đi theo chiều ngược lại: dòng điện sinh ra từ trường. Hai chiều này cùng nhau mới tạo nên máy điện.
• Đánh đồng đơn vị oersted với tesla hoặc gauss. Oe đo cường độ từ trường H, G và T đo cảm ứng từ B. Trong không khí, 1 Oe tương ứng 1 G, nhưng trong lõi thép hay nam châm thì không. Cách sửa: luôn ghi rõ đại lượng (H hay B) khi quy đổi, dùng hệ SI (A/m và T) cho tính toán.
• Nghĩ rằng chỉ dòng điện xoay chiều mới sinh từ trường. Ørsted dùng pin Volta, tức dòng một chiều. Mọi dòng điện đều sinh từ trường; dòng DC sinh từ trường tĩnh, dòng AC sinh từ trường biến thiên. Chỉ từ trường biến thiên mới cảm ứng ra dòng điện ở cuộn dây khác, vì vậy máy biến áp không làm việc với DC.
• Kẹp ampe kìm quanh cả cáp nhiều lõi rồi kết luận mất dòng. Đây là lỗi rất phổ biến khi kiểm tra motor. Từ trường của dòng đi và dòng về triệt tiêu nhau, đồng hồ chỉ gần 0 A. Cách sửa: tách từng lõi pha để đo; nếu đo cả cáp mà vẫn thấy dòng đáng kể, đó là dòng rò hoặc dòng chạy qua dây PE, cần kiểm tra cách điện.
• Viết sai tên và quê quán của Ørsted. Tên đúng là Hans Christian Ørsted, có thể viết Oersted; quê ông là Rudkøbing trên đảo Langeland. Các cách viết khác thường do lỗi gõ hoặc dịch máy.

d. Dành cho sinh viên cơ điện mới vào ngành: nên tìm hiểu gì trước

• Muốn hiểu thí nghiệm Ørsted cần nắm khái niệm nào trước? Bắt đầu với dòng điện (A), điện áp (V), điện trở (Ω) và định luật Ohm; sau đó là nam châm vĩnh cửu, đường sức từ và từ trường Trái Đất. Khi đã hình dung được đường sức từ, quy tắc nắm tay phải và công thức B = μ0I/(2πr) sẽ rất dễ hiểu.
• Thứ tự học điện từ học hợp lý là gì? Tác dụng từ của dòng điện (Ørsted) → từ trường của ống dây và nam châm điện → lực điện từ lên dây dẫn có dòng điện (quy tắc bàn tay trái) → cảm ứng điện từ (Faraday, định luật Lenz) → từ trường quay → động cơ không đồng bộ 3 pha. Thứ tự này đi đúng theo lịch sử khám phá, nên mỗi bước đều dựa trên bước trước.
• Thiết bị nào nên tháo, xem tận tay đầu tiên? Một chiếc rơ le hoặc contactor để thấy nam châm điện đóng tiếp điểm; tiếp theo là một motor 1 pha nhỏ để nhìn cuộn dây stator, rotor lồng sóc; cuối cùng là motor 3 pha để so sánh cách bố trí ba cuộn dây lệch nhau 120°.
• Bài thực hành gợi ý để tự làm lại thí nghiệm Ørsted? Dùng một pin 1,5 V hoặc nguồn DC có giới hạn dòng khoảng 2–5 A, một đoạn dây đồng và một la bàn. Đặt dây song song phía trên kim theo hướng Bắc – Nam, đóng mạch trong 1–2 giây rồi ngắt (tránh nóng pin), ghi lại chiều lệch; đảo cực nguồn, đặt dây phía dưới kim và so sánh. Sau đó cuốn dây thành ống 20–30 vòng quanh một chiếc đinh sắt để thấy nam châm điện hút được kẹp giấy.
• Nên đọc thêm về những nhà khoa học nào sau Ørsted? Ampère (lực giữa hai dòng điện), Faraday (quay điện từ và cảm ứng điện từ), Lenz (chiều dòng cảm ứng), Maxwell (hệ phương trình điện từ), Tesla và Dolivo-Dobrovolsky (động cơ 3 pha). Đọc theo đúng thứ tự thời gian giúp hiểu vì sao động cơ điện có cấu tạo như hiện nay.
• Sau phần lịch sử nên học tiếp gì để làm việc với motor? Học cấu tạo stator và rotor, cách đọc nhãn motor (công suất kW, điện áp, dòng định mức A, tốc độ, hệ số công suất, cấp cách điện), các mạch khởi động trực tiếp, sao – tam giác, rồi đến điều khiển tốc độ bằng biến tần.

Từ một kim la bàn lệch hướng trên bàn giảng năm 1820, Ørsted đã chỉ ra rằng điện và từ là hai mặt của cùng một hiện tượng. Mỗi chiếc motor, contactor hay ampe kìm đang dùng hôm nay vẫn làm việc dựa trên đúng quan sát ấy.