Michael Faraday Là Ai? Tiểu Sử, Cảm Ứng Điện Từ Và Những Phát Minh

Michael Faraday (1791–1867) là nhà vật lý và hóa học người Anh, người tạo ra chuyển động quay điện từ đầu tiên năm 1821, phát hiện hiện tượng cảm ứng điện từ năm 1831 - nền tảng của máy phát điện, máy biến áp và động cơ điện không đồng bộ - và tìm ra các định luật điện phân. Xuất thân là thợ đóng sách, không qua trường lớp chính quy, ông trở thành một trong những nhà khoa học thực nghiệm lớn nhất lịch sử. Bài viết trình bày tiểu sử Michael Faraday, các phát hiện về điện từ, điện hóa, lồng Faraday, hiệu ứng Faraday và ý nghĩa trực tiếp của chúng với motor điện ngày nay.

Mục lục

• 1. Michael Faraday là ai?
• 2. Tiểu sử Michael Faraday
• 3. Chuyển động quay điện từ 1821 - động cơ điện sơ khai
• 4. Định luật cảm ứng điện từ Faraday 1831
• 5. Định luật điện phân và các thuật ngữ điện hóa
• 6. Lồng Faraday và thí nghiệm xô đá
• 7. Hiệu ứng Faraday, tính nghịch từ và khái niệm đường sức
• 8. Những phát hiện trong hóa học
• 9. Di sản của Michael Faraday với ngành điện và motor điện
• 10. Câu hỏi thường gặp về Michael Faraday

1. Michael Faraday là ai?

Faraday là nhà thực nghiệm thuần túy: ông gần như không dùng toán học cao cấp, nhưng bằng hàng nghìn thí nghiệm được ghi chép tỉ mỉ, ông phát hiện những quy luật căn bản của điện và từ. Khái niệm "đường sức" và "trường" mà ông đưa ra sau này được James Clerk Maxwell diễn đạt thành hệ phương trình Maxwell. Đơn vị điện dung farad (F) và hằng số Faraday mang tên ông.

2. Tiểu sử Michael Faraday

Faraday sinh ngày 22/9/1791 tại Newington Butts, gần London, con của một thợ rèn nghèo. Năm 14 tuổi ông học việc tại hiệu đóng sách và bán sách của George Riebau, nơi ông đọc chính những cuốn sách mình đóng, đặc biệt là các mục về điện trong bách khoa thư và cuốn "Conversations on Chemistry" của Jane Marcet. Năm 1812 ông dự các buổi giảng của Humphry Davy tại Viện Hoàng gia (Royal Institution), chép lại thành tập ghi chép gửi Davy và được nhận làm trợ lý thí nghiệm tháng 3/1813.

• Ông từ chối tước hiệu hiệp sĩ và hai lần từ chối làm chủ tịch Hội Hoàng gia.
• Ghi chép thí nghiệm của ông được xuất bản thành bộ "Experimental Researches in Electricity".
• Buổi giảng "Lịch sử hóa học của ngọn nến" là tác phẩm phổ biến khoa học kinh điển.

3. Chuyển động quay điện từ 1821 - động cơ điện sơ khai

Năm 1820, Ørsted phát hiện dòng điện làm lệch kim nam châm. Tháng 9/1821, Faraday làm thí nghiệm: một sợi dây treo nhúng đầu dưới vào cốc thủy ngân có thanh nam châm dựng đứng ở giữa; khi cho dòng điện qua dây, đầu dây quay tròn liên tục quanh nam châm. Ở bố trí ngược lại, nam châm quay quanh dây cố định. Đây là lần đầu tiên điện năng được biến thành chuyển động quay liên tục - nguyên lý cơ bản của mọi động cơ điện.

• Năm sau, Peter Barlow phát triển thành bánh xe Barlow quay cả một đĩa kim loại.
• Các motor có cổ góp của Ányos Jedlik, Sturgeon, Jacobi, Thomas Davenport ra đời trong thập kỷ tiếp theo.

4. Định luật cảm ứng điện từ Faraday 1831

a. Thí nghiệm vòng sắt

Ngày 29/8/1831, Faraday quấn hai cuộn dây cách điện trên một vòng sắt. Khi đóng hoặc ngắt dòng điện ở cuộn thứ nhất, kim điện kế nối với cuộn thứ hai lệch đi trong chốc lát; khi dòng ổn định thì không còn tác dụng. Ông kết luận: chỉ từ trường biến thiên mới sinh ra dòng điện cảm ứng. Vòng sắt này chính là máy biến áp đầu tiên.

b. Đĩa Faraday - máy phát điện đầu tiên

Tháng 10/1831, ông quay một đĩa đồng giữa hai cực nam châm, lấy điện ở trục và mép đĩa bằng tiếp điểm trượt, thu được dòng điện một chiều liên tục. Đĩa Faraday là máy phát đồng cực, tiền thân của mọi máy phát điện.

c. Phát biểu định luật

Sức điện động cảm ứng trong một mạch tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch đó: e = −N·dΦ/dt. Dấu trừ thể hiện định luật Lenz (1834): dòng cảm ứng chống lại sự biến thiên sinh ra nó. Dạng toán học này do các nhà khoa học sau Faraday, đặc biệt là Maxwell, viết ra.

d. Định luật Faraday trong motor và thiết bị điện hiện nay

• Lõi motor, máy biến áp làm bằng lá thép mỏng cách điện để hạn chế dòng xoáy sinh ra theo đúng định luật Faraday.
• Motor không đồng bộ chạy đúng tốc độ đồng bộ thì không còn cảm ứng, không có mô-men - vì vậy luôn có độ trượt.
• Dòng khởi động lớn (6–8 lần định mức) do lúc rotor đứng yên, sức phản điện động và tổng trở còn thấp.

5. Định luật điện phân và các thuật ngữ điện hóa

Năm 1833–1834, Faraday phát biểu hai định luật điện phân:

• Định luật thứ nhất: khối lượng chất giải phóng ở điện cực tỉ lệ với điện lượng (tích của cường độ dòng điện và thời gian) đi qua chất điện phân, không chỉ với cường độ dòng điện.
• Định luật thứ hai: với cùng điện lượng, khối lượng các chất giải phóng tỉ lệ với đương lượng hóa học của chúng. Hằng số Faraday F ≈ 96.485 C/mol là điện lượng của một mol electron.

Cùng nhà bác học William Whewell, ông đặt ra các thuật ngữ còn dùng đến nay: điện cực (electrode), anốt (anode), catốt (cathode), ion, anion, cation, chất điện phân (electrolyte), điện phân (electrolysis). Các định luật này là cơ sở cho mạ điện, tinh luyện đồng điện phân dùng làm dây quấn motor, sản xuất nhôm, ắc quy và pin.

6. Lồng Faraday và thí nghiệm xô đá

Hai thí nghiệm này hay bị nhầm thành một:

• Lồng Faraday (1836): ông dựng một căn phòng bọc lá kim loại, cho tích điện mạnh từ bên ngoài, rồi vào trong đo bằng điện nghiệm và không phát hiện điện tích nào. Vỏ dẫn điện kín che chắn điện trường bên ngoài. Nguyên lý này dùng cho vỏ tủ điện kim loại, cáp có màn chắn, phòng thử EMC, buồng cao áp.
• Thí nghiệm xô đá (1843): đưa một quả cầu tích điện vào trong một xô kim loại (vốn là xô đựng đá), điện tích cảm ứng xuất hiện bằng và trái dấu ở mặt trong, cùng dấu ở mặt ngoài; khi quả cầu chạm đáy, điện tích của nó chuyển hết ra mặt ngoài. Thí nghiệm chứng minh điện tích phân bố ở mặt ngoài vật dẫn và tính bảo toàn điện tích.

• Lồng Faraday chắn điện trường tĩnh và sóng điện từ tần số cao tốt, nhưng chắn từ trường tần số thấp (50Hz) kém, cần vật liệu sắt từ.
• Màn chắn cáp motor chạy biến tần chỉ hiệu quả khi được nối đất 360° ở cả hai đầu.
• Khe hở, lỗ lớn trên vỏ làm giảm hiệu quả che chắn ở tần số cao.

7. Hiệu ứng Faraday, tính nghịch từ và khái niệm đường sức

• Hiệu ứng Faraday (1845): mặt phẳng phân cực của ánh sáng bị quay khi ánh sáng đi qua thủy tinh nặng đặt trong từ trường dọc theo phương truyền. Đây là bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về mối quan hệ giữa ánh sáng và điện từ, dùng ngày nay trong cảm biến dòng điện quang học và bộ cách ly quang.
• Tính nghịch từ (1845): nhiều chất như bismut, thủy tinh, nước bị từ trường đẩy yếu. Faraday phân loại vật liệu thành thuận từ và nghịch từ.
• Đường sức và trường: Faraday hình dung không gian quanh nam châm và điện tích được lấp đầy bởi các "đường sức". Khái niệm này giúp kỹ sư ngày nay vẽ và tính mạch từ của motor, máy biến áp.

8. Những phát hiện trong hóa học

• Năm 1820 tổng hợp các hợp chất đầu tiên của cacbon và clo được biết đến, gồm hexacloroetan (C₂Cl₆) và tetracloroetylen (C₂Cl₄).
• Năm 1823 hóa lỏng khí clo bằng áp suất, sau đó hóa lỏng nhiều khí khác.
• Năm 1825 tách được benzen từ cặn dầu của khí thắp sáng.
• Nghiên cứu hợp kim thép, thủy tinh quang học cho các ứng dụng công nghiệp.

9. Di sản của Michael Faraday với ngành điện và motor điện

• Toàn bộ hệ thống điện xoay chiều: máy phát, máy biến áp, motor không đồng bộ đều vận hành theo định luật cảm ứng Faraday.
• Nền tảng lý thuyết trường: Maxwell dựa trên khái niệm đường sức của Faraday để xây dựng lý thuyết điện từ.
• Đơn vị và hằng số: farad (F) cho điện dung - đơn vị ghi trên tụ đề, tụ ngậm của motor 1 pha (µF); hằng số Faraday trong điện hóa.
• Phổ biến khoa học: các buổi giảng Giáng sinh tại Viện Hoàng gia do ông khởi xướng vẫn được tổ chức hằng năm.

Xem thêm lịch sử phát triển động cơ điện tại bài tổng quan về motor điện và bài về Werner von Siemens, người đưa máy phát điện vào công nghiệp.

10. Câu hỏi thường gặp về Michael Faraday

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

• Mua motor không đồng bộ 3 pha - loại motor vận hành theo định luật Faraday - cần hỏi gì? Công suất kW, số cực, tốc độ định mức (motor 4 cực 50Hz khoảng 1440–1480 vòng/phút do có độ trượt), điện áp 380V hoặc 400V, dòng định mức (motor 4 cực khoảng 2 A/kW), hiệu suất và cấp IE, cấp cách điện, cấp IP. Nếu chạy biến tần, hỏi thêm khả năng chịu biến tần của cách điện.
• Mua tụ cho motor 1 pha, đơn vị farad cần hiểu thế nào? Tụ motor ghi theo µF (micro farad). Tụ ngậm thường vài µF đến vài chục µF, điện áp 400–450V AC; tụ đề lớn hơn nhiều, có thể hàng trăm µF. Thay tụ đúng giá trị µF, đúng điện áp và đúng loại (tụ ngậm chạy liên tục, tụ đề chỉ đóng lúc khởi động).
• Mua máy biến áp cần xác minh gì? Công suất kVA, điện áp sơ cấp và thứ cấp, tổ đấu dây, tổn hao không tải và có tải, điện áp ngắn mạch. Tổn hao không tải chủ yếu là tổn hao trong lõi do từ trễ và dòng xoáy - chính là hiện tượng cảm ứng Faraday trong lõi thép.
• Cáp cho motor chạy biến tần có cần màn chắn kiểu lồng Faraday không? Với biến tần, nên dùng cáp có màn chắn đồng bện hoặc lá nhôm, nối đất 360° ở cả hai đầu để giảm nhiễu điện từ ra môi trường. Hỏi nhà cung cấp cáp mật độ che phủ màn chắn và cách đấu nối đất khuyến cáo.
• Mua biến dòng (CT), đồng hồ kẹp cần hỏi gì? Tỉ số biến dòng (ví dụ 100/5 A), cấp chính xác (0.5, 1) và công suất định mức VA. Đồng hồ kẹp AC hoạt động theo cảm ứng Faraday nên chỉ đo được dòng xoay chiều; muốn đo dòng DC phải chọn loại có cảm biến Hall.
• Mua bộ thí nghiệm cảm ứng điện từ cho phòng học nên chọn thế nào? Bộ có cuộn dây nhiều vòng, nam châm, lõi sắt tháo rời và điện kế nhạy hoặc cảm biến điện áp nối máy tính, đủ để làm lại thí nghiệm vòng sắt và máy phát đơn giản.

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

• Vì sao motor không đồng bộ không chạy đúng tốc độ đồng bộ? Theo định luật Faraday, rotor chỉ có dòng cảm ứng khi có chuyển động tương đối với từ trường quay. Độ trượt khoảng 2–5% ở tải định mức là bình thường; độ trượt tăng nhiều (tốc độ tụt) là dấu hiệu quá tải, điện áp thấp hoặc rotor nứt thanh dẫn.
• Giảm dòng khởi động motor thế nào? Dòng khởi động trực tiếp gấp 6–8 lần định mức. Dùng khởi động sao – tam giác (motor 380/660V), khởi động mềm hoặc biến tần để giảm dòng và sụt áp lưới, nhất là khi motor lớn hơn khoảng 7.5–11 kW hoặc nguồn là máy phát.
• Kiểm tra tụ motor 1 pha ra sao? Ngắt điện, xả tụ, đo điện dung bằng đồng hồ có thang µF; sai lệch vượt khoảng ±10% so với giá trị ghi trên vỏ, hoặc tụ phồng, chảy dầu thì thay. Tụ yếu làm motor khó khởi động, kêu ù, nóng.
• Đi dây motor chạy biến tần để hạn chế nhiễu? Cáp động lực có màn chắn đi riêng, cách xa cáp tín hiệu ít nhất khoảng 20–30 cm hoặc đi trong máng riêng; màn chắn nối đất ở cả hai đầu bằng kẹp 360°; cáp encoder, cảm biến dùng loại xoắn đôi có chống nhiễu.
• Dùng đồng hồ kẹp đo dòng motor đúng cách? Kẹp vào từng dây pha riêng lẻ, không kẹp cả ba pha cùng lúc (tổng bằng 0). Đo cả ba pha để kiểm tra mất cân bằng, lệch quá khoảng 5% cần tìm nguyên nhân.
• Bảo quản lõi thép, tránh tổn hao dòng xoáy tăng? Khi sửa chữa, quấn lại motor, không đốt lõi stator ở nhiệt độ quá cao để tháo dây, vì lớp cách điện giữa các lá thép bị hỏng làm dòng xoáy và tổn hao sắt tăng, motor nóng hơn sau sửa.

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

• Cho rằng Faraday phát hiện cảm ứng điện từ năm 1821. Năm 1821 là thí nghiệm quay điện từ (motor sơ khai); cảm ứng điện từ là năm 1831. Cách sửa: tách rõ hai mốc khi viết tài liệu.
• Gọi thí nghiệm xô đá là "lồng Faraday". Lồng Faraday là căn phòng bọc kim loại năm 1836; thí nghiệm xô đá năm 1843 chứng minh phân bố và bảo toàn điện tích. Cách sửa: phân biệt hai thí nghiệm.
• Viết "khối lượng chất điện phân tỉ lệ với cường độ dòng điện". Đúng phải là tỉ lệ với điện lượng (dòng × thời gian). Cách sửa: dùng công thức m = (A/n)·(I·t)/F.
• Kẹp đồng hồ kẹp AC vào dây DC của motor một chiều. Không có biến thiên từ thông nên không đo được. Cách sửa: dùng đồng hồ kẹp AC/DC có cảm biến Hall.
• Thay tụ motor 1 pha bằng tụ lớn hơn nhiều cho "khỏe". Tụ ngậm quá lớn làm dòng cuộn phụ tăng, motor nóng, cháy cuộn phụ. Cách sửa: thay đúng giá trị µF trên nhãn hoặc tụ cũ, sai lệch trong khoảng cho phép.
• Nối đất màn chắn cáp biến tần một đầu bằng dây "đuôi heo" dài. Ở tần số cao, đoạn dây dài có tổng trở lớn, màn chắn mất tác dụng. Cách sửa: dùng kẹp nối đất 360° ngắn nhất có thể.

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

• Cần nắm khái niệm nào trước? Từ thông Φ (Wb), cảm ứng từ B (T), định luật cảm ứng e = −N·dΦ/dt, định luật Lenz và lực Lorentz. Đây là hai định luật nền móng để hiểu mọi máy điện: lực Lorentz giải thích mô-men, định luật Faraday giải thích điện áp cảm ứng.
• Nên học thiết bị nào trước? Máy biến áp một pha (dễ thấy định luật Faraday nhất), sau đó là motor không đồng bộ 3 pha rotor lồng sóc, rồi máy phát đồng bộ. Mỗi thiết bị là một cách khai thác khác nhau của cùng định luật cảm ứng.
• Học theo thứ tự nào? Điện từ cơ bản → mạch từ và đường cong từ hóa → máy biến áp → từ trường quay → motor không đồng bộ (độ trượt, đặc tính mô-men) → máy phát → biến tần và điều khiển vector.
• Bài thực hành gợi ý? Làm lại thí nghiệm vòng sắt: quấn hai cuộn dây trên lõi sắt kín, nối cuộn sơ cấp với pin qua công tắc, cuộn thứ cấp với đồng hồ đo mV; quan sát điện áp chỉ xuất hiện lúc đóng, ngắt. Sau đó cấp điện xoay chiều điện áp thấp qua biến áp cách ly và đo tỉ số điện áp theo số vòng dây.
• Có nên đọc trực tiếp tài liệu của Faraday? Nên đọc một số đoạn trong "Experimental Researches in Electricity" và bài giảng "Lịch sử hóa học của ngọn nến": văn phong rõ ràng, ít toán, cho thấy cách quan sát, ghi chép và kiểm chứng của một nhà thực nghiệm.
• Học tiếp gì sau Faraday? Hệ phương trình Maxwell ở mức khái niệm, tổn hao từ trễ và dòng xoáy trong lõi thép, thiết kế mạch từ motor, rồi đến tương thích điện từ (EMC) khi dùng biến tần - nơi lồng Faraday và định luật cảm ứng cùng xuất hiện.

Từ một thợ đóng sách tự học, Michael Faraday đã để lại định luật mà mọi máy phát, máy biến áp và motor không đồng bộ đều tuân theo. Hiểu đúng các phát hiện của ông, và phân biệt rõ các mốc 1821, 1831, 1836, 1843, 1845, là nền tảng vững chắc cho bất kỳ ai làm việc với động cơ điện.