Điện một chiều chỉ chảy theo một hướng, còn điện xoay chiều liên tục đổi chiều nhiều lần mỗi giây. Khác biệt tưởng thuần túy kỹ thuật ấy lại quyết định điện có thể đi bao xa khỏi nhà máy phát. Nikola Tesla không tạo ra điện và cũng không một mình phát minh mọi thiết bị xoay chiều. Đóng góp lớn của ông là hệ thống đa pha và động cơ cảm ứng, giúp dòng điện xoay chiều trở thành nguồn năng lượng thực tế cho công nghiệp.

Tesla và ý tưởng về từ trường quay

Tesla sinh năm 1856 tại Smiljan, khi đó thuộc Đế quốc Áo, trong một gia đình người Serbia. Ông học kỹ thuật điện và làm việc tại châu Âu trước khi sang Hoa Kỳ năm 1884. Năm 1882, khi còn ở Budapest, Tesla hình dung nguyên tắc từ trường quay. Nếu các cuộn dây được cấp dòng xoay chiều lệch pha đặt quanh một lõi, từ trường tổng hợp sẽ quay liên tục trong không gian.

Ý tưởng này giải quyết điểm yếu của nhiều động cơ thời đó. Động cơ một chiều cần chổi than và cổ góp, những bộ phận dễ mòn và phát tia lửa. Động cơ cảm ứng có thể dùng rotor đơn giản hơn và ít tiếp xúc cơ học hơn. Năm 1888, Tesla nhận các bằng sáng chế quan trọng về động cơ cảm ứng và hệ thống điện đa pha. George Westinghouse mua quyền khai thác nhiều sáng chế này, đưa ông vào cuộc cạnh tranh với hệ thống một chiều của Thomas Edison.

“Cuộc chiến dòng điện” cũng là cuộc cạnh tranh giữa các công ty và thành phố. Hai dấu mốc giúp điện xoay chiều chiếm ưu thế là Triển lãm Thế giới Chicago năm 1893 và dự án thủy điện Niagara. Điện từ Niagara bắt đầu truyền tới Buffalo năm 1896. Thành công ấy chứng minh điện xoay chiều có thể phục vụ khoảng cách hàng chục kilômét, vượt xa khả năng kinh tế của mạng một chiều điện áp thấp thời đầu.

Vì sao điện xoay chiều truyền đi xa tốt hơn

Dòng xoay chiều có cường độ và chiều biến thiên tuần hoàn. Tùy quốc gia, tần số lưới điện thường là 50 hoặc 60 hertz. Máy phát tạo điện áp dạng sóng sin nhờ chuyển động quay của rotor và cuộn dây trong từ trường. Dạng biến thiên liên tục này là điều kiện để máy biến áp hoạt động hiệu quả.

Máy biến áp gồm hai cuộn dây quấn quanh lõi sắt chung. Dòng xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo từ trường biến thiên. Từ trường ấy cảm ứng điện áp trong cuộn thứ cấp. Nếu số vòng dây khác nhau, điện áp đầu ra có thể cao hơn hoặc thấp hơn đầu vào. Khi truyền điện xa, người ta tăng điện áp lên rất cao để giảm dòng điện trên dây. Dòng nhỏ hơn làm giảm phần năng lượng mất thành nhiệt do điện trở.

Tới gần nơi tiêu thụ, các trạm biến áp hạ điện áp xuống mức phù hợp. Nhờ cơ chế này, nhà máy điện lớn có thể phục vụ cả một vùng. Động cơ cảm ứng của Tesla cũng tận dụng tốt hệ thống đa pha. Từ trường quay trong stator kéo rotor quay theo mà không cần cấp điện trực tiếp qua chổi than. Động cơ vì thế bền, dễ sản xuất và phù hợp với máy bơm, quạt cùng dây chuyền nhà máy.

Lưới điện xoay chiều đã định hình thế giới hiện đại

Khi điện truyền được xa, nhà máy phát không còn phải nằm sát khu dân cư. Thủy điện có thể đặt tại thác nước, còn nhà máy nhiệt điện có thể đặt gần mỏ than hoặc bến cảng. Quy mô phát điện lớn giúp giảm chi phí và thúc đẩy tiêu chuẩn hóa thiết bị. Các thành phố được nối vào những lưới điện ngày càng rộng.

Điện xoay chiều cũng giúp động cơ điện phổ biến. Nhà máy không còn phụ thuộc hoàn toàn vào trục truyền động trung tâm chạy bằng hơi nước. Mỗi máy có thể dùng một động cơ riêng, dễ bố trí và điều khiển hơn. Trong gia đình, điện xoay chiều vận hành tủ lạnh, máy giặt, máy bơm, điều hòa và vô số thiết bị khác. Phần lớn lưới điện thế giới ngày nay vẫn truyền tải bằng dòng xoay chiều.

Tesla qua đời năm 1943 trong hoàn cảnh tài chính khó khăn. Danh tiếng của ông tăng mạnh về sau, đôi khi bị thần thoại hóa quá mức. Đánh giá công bằng là ông có vai trò xuất sắc trong hệ thống xoay chiều đa pha. Nhưng thời đại điện được xây bởi cả một cộng đồng kỹ sư, nhà đầu tư và công nhân đông đảo.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Tesla từng làm việc một thời gian ngắn cho công ty của Edison tại New York sau khi sang Mỹ.
  • Hệ thống của Westinghouse thắp sáng Triển lãm Chicago năm 1893 với quy mô khoảng 200.000 bóng đèn.
  • Đơn vị đo cảm ứng từ trong hệ SI được đặt tên là “tesla” để vinh danh ông.
  • Tesla nắm giữ hàng trăm bằng sáng chế ở nhiều quốc gia về động cơ, máy phát, điều khiển và truyền tín hiệu.
  • Ông thường hình dung và kiểm tra hoạt động của thiết bị trong đầu trước khi chế tạo mẫu thật.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Tesla phát minh ra điện." Điện đã được nghiên cứu qua nhiều thế hệ trước Tesla. Ông cũng không tạo ra mọi thiết bị xoay chiều. Tên tuổi của ông gắn với hệ thống đa pha và động cơ cảm ứng, những đóng góp giúp điện xoay chiều vận hành hiệu quả trong thực tế.

Hiểu lầm: "Cuộc chiến dòng điện chỉ là cuộc đấu cá nhân giữa Tesla và Edison." Phía sau hai cái tên là các công ty, kỹ sư, nhà đầu tư và những hợp đồng chiếu sáng thành phố. Westinghouse giữ vai trò then chốt trong việc thương mại hóa ý tưởng của Tesla. Điện xoay chiều thắng thế chủ yếu vì máy biến áp giúp truyền tải hiệu quả hơn.

Hiểu lầm: "Tesla đã tìm ra cách cấp điện miễn phí không dây cho toàn thế giới." Dự án Wardenclyffe của ông thiếu vốn và phải dừng lại. Nó chưa chứng minh được khả năng cấp điện toàn cầu hiệu quả. Di sản chắc chắn nhất của Tesla không nằm ở lời đồn, mà ở lưới điện và động cơ xoay chiều vẫn hoạt động mỗi ngày.

Nguồn tham khảo