Werner von Siemens Là Ai? Tiểu Sử, Nguyên Lý Dynamo Và Di Sản

Werner von Siemens (1816–1892) là kỹ sư, nhà phát minh và doanh nhân người Đức, người phát biểu nguyên lý máy phát điện tự kích từ (nguyên lý dynamo) năm 1866, đồng sáng lập công ty Siemens & Halske năm 1847 và đưa điện vào điện báo, đường sắt, thang máy, chiếu sáng. Tên ông được dùng cho đơn vị đo độ dẫn điện siemens (S) trong hệ SI. Bài viết trình bày tiểu sử Werner von Siemens, các phát minh chính, ý nghĩa kỹ thuật của nguyên lý dynamo đối với máy phát và động cơ điện ngày nay, cùng những hiểu lầm phổ biến về ông.

Mục lục

• 1. Werner von Siemens là ai?
• 2. Tiểu sử Werner von Siemens
• 3. Siemens & Halske và mạng lưới điện báo
• 4. Nguyên lý dynamo của Werner von Siemens
• 5. Đưa động cơ điện vào giao thông và đời sống
• 6. Đơn vị siemens và đóng góp cho đo lường điện
• 7. Di sản của Werner von Siemens với ngành motor điện
• 8. Câu hỏi thường gặp về Werner von Siemens

1. Werner von Siemens là ai?

Werner von Siemens, tên đầy đủ Ernst Werner von Siemens, là một trong những người đặt nền móng cho ngành kỹ thuật điện công nghiệp. Khác với Faraday hay Ampère là những nhà khoa học thuần túy, Siemens vừa nghiên cứu, vừa chế tạo, vừa tổ chức sản xuất hàng loạt. Ông là người đề xuất dùng từ "Elektrotechnik" (kỹ thuật điện) khi đồng sáng lập Hội Kỹ thuật Điện Berlin năm 1879, đánh dấu việc kỹ thuật điện trở thành một ngành riêng.

2. Tiểu sử Werner von Siemens

Werner Siemens sinh ngày 13/12/1816 tại Lenthe, gần Hanover (khi đó thuộc Vương quốc Hanover, nay thuộc Đức), là con thứ tư trong gia đình người thuê đất canh tác có 14 người con. Gia đình không đủ tiền cho ông học đại học, nên năm 1835 ông gia nhập quân đội Phổ để được học tại Trường Pháo binh và Công binh ở Berlin, nơi ông học toán, vật lý, hóa học. Cha mẹ mất sớm, ông trở thành chỗ dựa cho các em, trong đó Wilhelm (William) Siemens sau này lập nghiệp ở Anh và Carl Siemens điều hành chi nhánh ở Nga.

• "von" là tước hiệu quý tộc được ban năm 1888, trước đó ông ký tên Werner Siemens.
• Siemens AG như ngày nay được hình thành năm 1966, sau khi ông đã mất.
• Mốc 1866 là thời điểm phát biểu nguyên lý, không phải ngày "phát minh ra máy phát điện".

3. Siemens & Halske và mạng lưới điện báo

Năm 1847, Siemens cải tiến máy điện báo kim chỉ: kim ở máy nhận tự động chạy đồng bộ với máy phát nhờ cơ cấu tự ngắt mạch, đơn giản và tin cậy hơn các máy cùng thời. Cùng năm, ông và thợ cơ khí chính xác Johann Georg Halske lập xưởng Telegraphen-Bauanstalt von Siemens & Halske tại Berlin.

• Cáp cách điện gutta-percha: Siemens phát triển máy ép bọc nhựa gutta-percha liền mạch quanh dây đồng, giúp cáp ngầm và cáp biển cách điện tốt, nền tảng cho các tuyến điện báo dài.
• Tuyến Berlin – Frankfurt (1848–1849): truyền tin từ Quốc hội Frankfurt về Berlin chỉ trong thời gian rất ngắn, gây tiếng vang lớn.
• Mạng điện báo Nga: chi nhánh do Carl Siemens điều hành xây dựng nhiều tuyến điện báo cho đế quốc Nga.
• Tuyến điện báo Ấn – Âu (1868–1870): nối London với Calcutta qua Phổ, Nga, Ba Tư, dài khoảng 11.000 km, hoạt động nhiều thập kỷ.
• Cáp biển xuyên Đại Tây Dương: công ty Siemens Brothers ở Anh do William Siemens điều hành đặt cáp xuyên Đại Tây Dương bằng tàu chuyên dụng Faraday (hạ thủy năm 1874).

4. Nguyên lý dynamo của Werner von Siemens

a. Vấn đề của máy phát trước năm 1866

Từ sau phát hiện cảm ứng điện từ của Michael Faraday năm 1831, máy phát điện đều dùng nam châm vĩnh cửu (máy phát từ điện - magneto). Nam châm thép thời đó yếu, nặng và mất từ dần, nên công suất máy phát rất hạn chế.

b. Nguyên lý tự kích từ

Siemens chỉ ra rằng có thể thay nam châm vĩnh cửu bằng nam châm điện, và lấy chính dòng điện do máy sinh ra để cấp cho cuộn kích từ. Khi khởi động, từ dư rất nhỏ trong lõi sắt cảm ứng ra một sức điện động nhỏ; dòng này chạy qua cuộn kích từ làm từ trường mạnh lên, sức điện động lại tăng, quá trình tự tăng đến khi lõi thép bão hòa. Ông báo cáo nguyên lý này tại Viện Hàn lâm Khoa học Berlin ngày 17/1/1867.

c. Ai phát hiện trước?

Nguyên lý tự kích từ được nhiều người tìm ra gần như đồng thời. Ányos Jedlik ở Hungary đã mô tả ý tưởng này trong ghi chép từ khoảng đầu những năm 1860 nhưng không công bố; Charles Wheatstone và Samuel Alfred Varley ở Anh trình bày gần như cùng thời điểm với Siemens. Đóng góp riêng của Siemens là công bố rõ ràng, đặt tên "dynamo-elektrische Maschine" và đưa vào sản xuất công nghiệp.

d. Ý nghĩa đối với máy phát và motor điện ngày nay

• Máy phát điện xoay chiều có kích từ, máy phát một chiều kích từ song song đều dựa trên nguyên lý tự kích hoặc kích từ bằng cuộn dây.
• Motor DC kích từ song song, nối tiếp, hỗn hợp là "anh em" của dynamo: cùng kết cấu, chỉ khác chiều biến đổi năng lượng.
• Máy phát tự kích cần từ dư; mất từ dư thì máy không phát điện, phải "mồi" bằng nguồn DC ngoài - một lỗi vẫn gặp ở máy phát nhỏ ngày nay.

5. Đưa động cơ điện vào giao thông và đời sống

• Đầu máy điện 1879: tại Triển lãm Công nghiệp Berlin, một đầu máy nhỏ dùng động cơ điện một chiều khoảng 3 mã lực kéo các toa chở khách trên đường ray vòng dài khoảng 300 m, điện cấp qua ray thứ ba. Đây là minh chứng công khai đầu tiên rằng động cơ điện có thể kéo tàu.
• Thang máy điện 1880: thang máy dùng động cơ điện trình diễn tại Mannheim.
• Tàu điện Lichterfelde 1881: tuyến tàu điện thương mại đầu tiên trên thế giới, chạy ở ngoại ô Berlin.
• Xe điện bánh hơi "Elektromote" 1882: tiền thân của trolleybus, lấy điện từ dây trên cao.
• Chiếu sáng đô thị: máy phát dynamo cấp điện cho đèn hồ quang chiếu sáng đường phố, nhà máy.

Các ứng dụng này cho thấy tư duy của Siemens: phát minh chỉ có giá trị khi trở thành hệ thống hoàn chỉnh gồm nguồn phát, đường dây, động cơ và thiết bị điều khiển.

6. Đơn vị siemens và đóng góp cho đo lường điện

Năm 1860, Siemens đề xuất chuẩn điện trở bằng cột thủy ngân dài 1 m, tiết diện 1 mm², ở 0°C, gọi là "đơn vị Siemens", được dùng rộng rãi trước khi ohm quốc tế được thống nhất. Năm 1887, ông góp đất và tiền lớn cùng nhà nước Phổ thành lập Viện Vật lý – Kỹ thuật Đế chế (PTR), viện đo lường quốc gia của Đức mà Hermann von Helmholtz làm chủ tịch đầu tiên.

Năm 1971, Hội nghị Cân đo Quốc tế lấy tên ông đặt cho đơn vị độ dẫn điện trong hệ SI: 1 siemens (S) = 1/Ω. Trong thực tế kỹ thuật, đơn vị này xuất hiện ở:

• Máy đo độ dẫn điện của nước: nước cất dưới vài µS/cm, nước máy khoảng vài trăm µS/cm, nước biển khoảng 50.000 µS/cm.
• Thông số linh kiện bán dẫn (độ hỗ dẫn của transistor), mô hình mạch điện.
• Độ dẫn điện của kim loại (MS/m), ví dụ đồng khoảng 58 MS/m, nhôm khoảng 35–37 MS/m - lý do rotor lồng sóc nhôm và cuộn dây đồng có kích thước khác nhau.

7. Di sản của Werner von Siemens với ngành motor điện

• Kỹ thuật điện thành ngành công nghiệp: từ máy phát dynamo đến tàu điện, Siemens chứng minh điện năng có thể sản xuất, truyền tải và dùng để kéo tải cơ khí quy mô lớn.
• Nền tảng cho động cơ điện công nghiệp: máy phát công suất lớn tạo ra nguồn điện đủ rẻ để động cơ điện thay thế máy hơi nước trong nhà máy.
• Mô hình nghiên cứu gắn với sản xuất: phòng thí nghiệm của công ty, tiêu chuẩn hóa sản phẩm, đo kiểm chất lượng.
• Doanh nghiệp mang tên ông: Siemens & Halske cùng các công ty sau này hợp nhất thành Siemens AG năm 1966; một phần mảng động cơ và truyền động lớn đã được tách thành công ty riêng mang tên Innomotics từ năm 2023–2024.
• Hồi ký "Lebenserinnerungen" (1892): ghi lại quan điểm của ông về vai trò của khoa học với công nghiệp.

Xem thêm bức tranh lịch sử động cơ điện tại bài tổng quan về motor điện, và các nhân vật cùng thời như Thomas Davenport, Peter Barlow.

8. Câu hỏi thường gặp về Werner von Siemens

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

• Mua máy phát điện tự kích từ cần hỏi gì liên quan đến nguyên lý dynamo? Hỏi máy kích từ bằng cách nào: tự kích từ qua bộ điều chỉnh điện áp (AVR), kích từ không chổi than hay máy kích từ phụ nam châm vĩnh cửu (PMG). Máy tự kích phụ thuộc từ dư; máy có PMG giữ điện áp tốt hơn khi khởi động motor lớn và khi tải phi tuyến như biến tần.
• Motor mang thương hiệu Siemens hiện nay có liên quan trực tiếp đến Werner von Siemens không? Chỉ liên quan về lịch sử thương hiệu. Motor ngày nay được thiết kế theo IEC 60034, sản xuất ở nhiều nhà máy trên thế giới; một phần mảng motor, truyền động đã chuyển sang Innomotics. Khi mua, cần xác minh mã sản phẩm, nơi sản xuất và nhà phân phối chính hãng thay vì chỉ dựa vào tên thương hiệu.
• Mua motor DC hoặc máy phát DC cần xác minh gì? Kiểu kích từ (song song, nối tiếp, hỗn hợp, nam châm vĩnh cửu), điện áp phần ứng, điện áp kích từ, dòng định mức và tình trạng cổ góp, chổi than. Motor DC kích từ nối tiếp có mô-men khởi động lớn nhưng tốc độ tăng vọt khi mất tải, nên phải hỏi rõ ứng dụng trước khi chọn.
• Mua máy đo độ dẫn điện (µS/cm) cho hệ thống nước cần hỏi gì? Dải đo phù hợp loại nước (nước RO, nước nồi hơi, nước thải), hằng số điện cực (cell constant), bù nhiệt độ về 25°C và chuẩn hiệu chuẩn đi kèm. Nước RO thường dưới khoảng 20 µS/cm, nước làm mát tuần hoàn có thể vài nghìn µS/cm.
• Mua motor cho tàu điện, xe điện, thang máy cần hỏi gì? Đây là các ứng dụng Siemens khởi xướng và ngày nay dùng motor xoay chiều điều khiển bằng biến tần. Cần hỏi chế độ làm việc (S1, S3, S5), mô-men khởi động, khả năng hãm tái sinh, cấp cách điện chịu biến tần và có phanh điện từ hay không.
• Có cần quan tâm đến đơn vị siemens khi mua dây dẫn, motor? Thông số trực tiếp thường là điện trở (Ω/km) hoặc tiết diện. Tuy nhiên hiểu độ dẫn điện giúp so sánh dây đồng với dây nhôm: nhôm dẫn điện kém hơn khoảng 40% nên cần tiết diện lớn hơn khoảng 1.6 lần để có cùng điện trở.

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

• Máy phát tự kích không lên điện áp thì làm gì? Thường do mất từ dư sau thời gian dài không chạy hoặc sau khi bị ngắn mạch. Cách xử lý theo đúng nguyên lý Siemens mô tả: "mồi" kích từ bằng nguồn DC 12V (ắc quy) đặt vào cuộn kích từ vài giây khi máy đang quay, đúng cực tính theo tài liệu hãng.
• Máy phát kéo motor 3 pha lớn cần lưu ý gì? Dòng khởi động trực tiếp của motor gấp khoảng 6–8 lần dòng định mức, làm sụt áp máy phát mạnh. Kinh nghiệm thường dùng là công suất máy phát gấp 2–3 lần công suất motor nếu khởi động trực tiếp; dùng khởi động mềm hoặc biến tần thì giảm được tỉ lệ này.
• Vận hành motor DC kích từ song song cần chú ý gì? Không để đứt mạch kích từ khi phần ứng đang cấp điện, vì từ thông giảm làm tốc độ tăng vọt và dòng phần ứng lớn. Mạch điều khiển nên có rơ le bảo vệ mất kích từ.
• Đo độ dẫn điện nước làm mát cho hệ thống motor, máy nén đúng cách thế nào? Hiệu chuẩn đầu đo bằng dung dịch chuẩn (ví dụ 1413 µS/cm), đo ở nhiệt độ ổn định hoặc bật bù nhiệt, ghi chép định kỳ. Độ dẫn điện tăng dần là dấu hiệu nước bị cô đặc khoáng, cần xả đáy hoặc xử lý.
• Dùng motor cho thang nâng, tời như thế nào để bền? Chọn đúng chế độ làm việc S3 hoặc S4 theo số lần khởi động mỗi giờ, kiểm tra khe hở phanh điện từ định kỳ, không cho motor khởi động liên tục vượt số lần cho phép trên catalog.
• Bảo quản chổi than, cổ góp máy điện một chiều thế nào? Kiểm tra độ mòn chổi than, áp lực lò xo, bề mặt cổ góp phải có lớp màng nâu đều; tia lửa lớn ở cổ góp là dấu hiệu chổi mòn, sai vị trí trung tính hoặc quá tải.

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

• Cho rằng Werner von Siemens "phát minh ra máy phát điện". Máy phát điện bắt đầu từ thí nghiệm của Faraday năm 1831 và các máy phát từ điện của Pixii những năm 1830. Đóng góp của Siemens là nguyên lý tự kích từ năm 1866, giúp máy phát đạt công suất lớn. Cách sửa: dùng đúng cụm từ "phát biểu nguyên lý dynamo".
• Nhầm Werner với William Siemens. William (Carl Wilhelm) Siemens là em trai, sống ở Anh, nổi tiếng với lò luyện thép Siemens–Martin (lò tái sinh nhiệt). Cách sửa: phân biệt rõ khi trích dẫn phát minh luyện kim và phát minh điện.
• Viết "Siemens AG được thành lập năm 1847". Năm 1847 là năm thành lập Siemens & Halske; Siemens AG hình thành năm 1966 qua hợp nhất. Cách sửa: ghi đúng tên pháp nhân theo mốc thời gian.
• Nhầm đơn vị siemens (S) với giây (s). Siemens viết hoa chữ S, giây viết thường; µS/cm là độ dẫn điện, không phải thời gian. Cách sửa: luôn ghi đúng chữ hoa, thường trong tài liệu kỹ thuật.
• Cho rằng tàu điện đầu tiên chạy bằng điện xoay chiều. Đầu máy 1879 và tàu điện Lichterfelde 1881 dùng điện một chiều; motor xoay chiều 3 pha chỉ thực sự phát triển từ cuối những năm 1880. Cách sửa: gắn đúng loại dòng điện với từng mốc lịch sử.
• Bỏ qua từ dư khi sửa máy phát. Sau khi quấn lại hoặc sấy cuộn dây, máy phát tự kích có thể mất từ dư và không phát điện, người sửa dễ kết luận nhầm là hỏng AVR. Cách sửa: thử mồi kích từ trước khi thay linh kiện.

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

• Cần nắm khái niệm gì trước khi đọc về Siemens? Định luật cảm ứng điện từ Faraday, lực từ tác dụng lên dây dẫn mang dòng, khái niệm từ thông, từ dư, bão hòa từ và đường cong từ hóa. Đây là những kiến thức cần để hiểu vì sao máy tự kích "tự lớn" điện áp và dừng ở điểm bão hòa.
• Nên tìm hiểu thiết bị nào trước? Bắt đầu từ máy phát một chiều và motor một chiều có cổ góp, vì đây là thiết bị trực tiếp kế thừa từ dynamo. Sau đó học máy phát đồng bộ có kích từ và motor không đồng bộ 3 pha, loại motor phổ biến nhất hiện nay.
• Học lịch sử máy điện theo thứ tự nào? Ørsted (1820) → Faraday, bánh xe Barlow (1821–1822) → Jedlik, Davenport, Jacobi (động cơ những năm 1830) → máy phát từ điện → nguyên lý dynamo Siemens, Wheatstone (1866–1867) → máy Gramme, phần ứng trống → motor xoay chiều của Tesla, Dolivo-Dobrovolsky.
• Bài thực hành gợi ý? Dùng một motor DC kích từ song song làm máy phát: quay bằng motor khác, đo điện áp khi hở kích từ (chỉ còn từ dư), rồi đóng kích từ và vẽ đường đặc tính không tải. Thử đảo cực cuộn kích từ để thấy máy không tự kích được, đúng như lý thuyết.
• Nên đọc gì thêm về đơn vị đo? Tìm hiểu hệ SI và các đơn vị mang tên nhà khoa học: ampe, vôn, ôm, siemens, henry, farad, weber, tesla; quan hệ giữa điện trở suất và độ dẫn điện, để đọc catalog dây dẫn, cảm biến không nhầm lẫn.
• Học tiếp gì sau phần lịch sử này? Học về hệ thống truyền tải điện, motor kéo trong tàu điện, biến tần và hãm tái sinh. Đây là sự phát triển trực tiếp của các ý tưởng tàu điện, thang máy mà Siemens trình diễn từ thế kỷ 19.

Werner von Siemens không phải người duy nhất tìm ra nguyên lý dynamo, nhưng là người biến nó thành ngành công nghiệp. Từ máy phát tự kích từ đến tàu điện và đơn vị siemens, dấu ấn của ông vẫn hiện diện trong mỗi hệ thống điện và động cơ điện đang chạy hôm nay.