Điện

Lịch sử

Một thời gian dài trước khi có kiến thức về điện, con người đã nhận thức được về những cú điện giật từ những con cá điện. Các văn liệu của người Ai Cập cổ đại có niên đại từ 2750 TCN đã đề cập đến các loài cá này với tên gọi "thiên lôi của sông Nin", và miêu tả chúng như là "kẻ bảo vệ" tất cả các loài cá khác. Cá điện được nhắc lại một ngàn năm sau bởi các nhà tự nhiên học và các thầy thuốc Hy Lạp cổ đại, La Mã và Ả Rập. Nhiều nhà văn cổ đại như Pliny the Elder và Scribonius Largus, đã chứng thực tác dụng làm tê liệt của điện giật phát ra từ cá da trơn phát điện và cá đuối điện, và biết rằng các cú giật này có thể truyền qua những vật dẫn điện. Các bệnh nhân bị bệnh gút hoặc đau đầu được chỉ định chạm vào cá điện để mong rằng các cú giật có thể chữa trị các bệnh cho họ. Có lẽ cách tiếp cận gần nhầt và sớm nhất về phát hiện ra sét và điện từ bất kỳ nguồn khác được cho là đóng góp của người Ả Rập, vì trước thế kỷ 15 họ đã có đề cập từ sét trong tiếng Ả Rập (raad) để chỉ các tia chớp.
Các nền văn minh cổ đại quanh Địa Trung Hải đã biết một số vật, như miếng hổ phách, khi chà xát với lông mèo có thể hút được những vật nhẹ như da động vật. Thales của Miletos đã thực hiện những khảo cứu về hiện tượng tĩnh điện vào khoảng năm 600 TCN, mà ông cho rằng gây ma sát lên thanh hổ phách làm sinh ra nam châm, ngược lại với một số khoáng vật như magnetit mà không cần chà xát. Thales đã không đúng khi cho rằng lực hút là do hiệu ứng tương tự như nam châm, nhưng sau này khoa học đã chứng minh giữa từ học và điện học có mối liên hệ với nhau. Theo một lý thuyết gây tranh cãi, người Parthia đã có những hiểu biết về kỹ thuật mạ điện, dựa trên một khám phá vào năm 1936 về khối pin Baghdad có đặc tính giống như pin Galvani, mặc dù người ta không chắc liệu khối pin này có bản chất liên quan đến điện hay không.
Sự hiểu biết về điện vẫn chỉ là sự tò mò trí tuệ trong hàng nghìn năm cho đến tận giai đoạn 1600, khi nhà khoa học người Anh William Gilbert nghiên cứu chi tiết về điện học và từ học, với việc phân biệt hiệu ứng từ đá nam châm lodestone với hiệu ứng tĩnh điện từ hổ phách bị chà xát. Ông đưa ra thuật ngữ La Tinh mới electricus ("của hổ phách" hay "giống với hổ phách", xuất phát từ ήλεκτρον [elektron], tiếng Hy Lạp có nghĩa là "hổ phách") cho những vật có tính chất hút những vật nhỏ sau khi bị chà xát. Từ này là nguồn gốc của tiếng Anh cho từ "electric" và "electricity", mà xuất hiện đầu tiên trong bản in Pseudodoxia Epidemica của Thomas Browne năm 1646.
Các nhà khoa học Otto von Guericke, Robert Boyle, Stephen Gray và C. F. du Fay tiếp tục có những nghiên cứu sâu hơn về điện. Trong thế kỷ 18, Benjamin Franklin đã bán tài sản của mình để ông có thể thực hiện nhiều cuộc nghiên cứu về điện. Tháng 6 năm 1752, ông thực hiện một thí nghiệm nổi tiếng khi gắn một chìa khóa kim loại vào cuối dây bị ướt của một cái diều và thả nó vào trong một cơn bão. Mục đích của ông trong thí nghiệm này nhằm tìm ra sự liên hệ giữa hiện tượng sét và điện. Ông cũng giải thích một nghịch lý kỳ lạ vào thời đó của chai Leyden khi cho rằng nó là thiết bị lưu trữ lượng lớn các điện tích.
Năm 1791, Luigi Galvani công bố khám phá ra hiện tượng điện từ sinh học (bioelectromagnetics), chứng minh dòng điện là môi trường giúp cho các tế bào thần kinh truyền tín hiệu đến các cơ. Đến năm 1800, Alessandro Volta phát minh ra pin Volta, làm từ các tấm kẽm và đồng xếp đan xen nhau, mang lại cho các nhà khoa học một nguồn điện duy trì lâu hơn so với các nguồn tĩnh điện trước đó. Sự nhận ra của thuyết điện từ học, trong đó thống nhất giữa các hiện tượng điện và từ, là nhờ các đóng góp của Hans Christian Ørsted và
André-Marie Ampère trong giai đoạn 1819-1820; Michael Faraday phát minh ra động cơ điện vào năm 1821, và Georg Ohm đã thực hiện phân tích bằng toán học về mạch điện vào năm 1827. Điện học và từ học (và cả ánh sáng) cuối cùng được James Clerk Maxwell thống nhất lại với nhau bằng lý thuyết ông miêu tả trong tác phẩm "On Physical Lines of Force" năm 1861 và 1862.
Trong khi đầu thế kỷ 19 chứng kiến tiến trình phát triển nhanh chóng của khoa học về điện, thì cuối thế kỷ 19 đã mở ra sự thúc đẩy mạnh mẽ của kỹ thuật điện. Gắn với tên tuổi của các nhà nghiên cứu như Alexander Graham Bell, Ottó Bláthy, Thomas Edison, Galileo Ferraris, Oliver Heaviside, Ányos Jedlik, William Thomson, Sir Charles Parsons, Ernst Werner von Siemens, Joseph Swan, Nikola Tesla và George Westinghouse, điện đã chuyển từ lý thuyết khoa học sang công cụ cơ bản cho nền văn minh hiện đại, mang đến Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai.
Năm 1887, Heinrich Hertz phát hiện ra rằng khi chiếu tia cực tím vào tấm điện cực sẽ dễ dàng tạo ra sự phóng tia điện (electric spark) từ nó. Năm 1905 Albert Einstein công bố một bài báo nhằm giải thích các kết quả thực nghiệm từ hiệu ứng quang điện do Hertz khám phá khi cho rằng năng lượng ánh sáng bị lượng tử hóa thành các gói rời rạc, và những gói này truyền năng lượng cho electron bật ra. Bài báo này là một trong những đột phát khai sinh ra lý thuyết cách mạng cơ học lượng tử. Einstein được trao Giải Nobel Vật lý năm 1921 cho "sự khám phá của ông về hiệu ứng quang điện cũng như những nghiên cứu nền tảng cho vật lý học". Hiệu ứng quang điện là cơ sở cho sự hoạt động của pin Mặt Trời, các CCD trong máy ánh kỹ thuật số và nhiều ứng dụng khác.
Thiết bị sử dụng vật liệu trạng thái rắn đầu tiên là thiết bị dò sợi râu mèo ("cat's whisker" detector), dùng để thu tín hiệu vô tuyến trong thập niên 1930. Sợi râu tiếp xúc nhẹ với một tinh thể rắn (như tinh thể germanium) nhằm phát hiện ra tín hiệu radio thông qua hiệu ứng mối nối tiếp xúc. Trong linh kiện chất rắn, dòng điện bị hạn chế bởi các linh kiện bán dẫn và tổ hợp linh kiện nhằm bật tắt hay khuếch đại chúng. Dòng điện có thể biểu hiện dưới hai dạng: các electron mang điện âm, và các ion dương bị thiếu electron gọi là các lỗ trống electron. Các điện tích và lỗ trống này được giải thích theo ngôn ngữ của cơ học lượng tử, và chúng là cơ sở cho sự hoạt động của các chất bán dẫn.
Thiết bị bán dẫn đi vào ứng dụng thực tế khi tranzitor được phát minh ra vào năm 1947. Nói chung mạch điện tử gồm các thiết bị bán dẫn như tranzitor, chip vi xử lý, và RAM. Một loại RAM đặc biệt là bộ nhớ flash được sử dụng trong các ổ USB flash và gần đây là ổ lưu trữ trạng thái rắn nhằm thay thế các đĩa từ quay trong các ổ đĩa cứng. Nghiên cứu thiết bị bán dẫn và thể rắn phát triển mạnh mẽ trong thập niên 1950 và 1960, khi công nghệ đèn điện tử chân không chuyển sang các điốt bán dẫn, tranzitor, mạch tích hợp (IC) và LED.

Ứng dụng

Điện là một dạng năng lượng rất thuận tiện cho truyền tải đi xa, và đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Việc phát minh ra bóng đèn sợi đốt trong thập niên 1870 dẫn tới kỹ thuật chiếu sáng trở thành một trong những ứng dụng đầu tiên của năng lượng điện. Mặc dù dòng điện cũng mang lại những nguy hiểm, nhưng các thiết bị điện thay thế cho các lò sưởi hay thiết bị thắp sáng bằng khí gas cũng đã giảm thiểu rất nhiều những nguy hiểm của các thiết bị cũ trong nhà ở và nhà máy. Các công ty cung cấp điện đã được thành lập ở các thành phố lớn dẫn đến sự tạo ra thị trường cung cấp điện chiếu sáng trong đầu thế kỷ 20.
Hiệu ứng giải phóng nhiệt Joule ứng dụng trong bóng đèn sợi đốt cũng được ứng dụng trực tiếp trong việc sưởi bằng điện. Trong khi việc giải phóng nhiệt là không thể tránh khỏi và có thể kiểm soát, dưới góc độ khác có thể coi hiệu ứng này lại gây ra sự lãng phí điện năng, do đa số các nhà máy phát điện đều đòi hỏi nhiệt năng để sản xuất ra điện. Tại một số nước, như Đan Mạch, đã có các đạo luật nhằm giới hạn hoặc ngăn cấm việc sử dụng điện để sưởi ấm trong các tòa nhà xây mới. Điện cũng là một nguồn năng lượng được sử dụng nhiều cho các thiết bị làm lạnh, điều hòa không khí thể hiện sự tăng nhu cầu tiêu thụ điện trong các thiết bị này, ảnh hưởng đến các công ty cung cấp điện năng buộc phải tăng sự điều tiết trong phân phối.
Một trong những ứng dụng sớm nhất của điện đó là viễn thông, như điện tín, khi ngành này đi vào hoạt động thương mại vào năm 1837 bởi Cooke và Wheatstone. Với việc xây dựng hệ thống điện tín xuyên lục địa đầu tiên, và sau đó là hệ thống điện tín xuyên đại dương trong thập niên 1860, điện đã cho phép con người liên lạc được với nhau chỉ trong vòng vài phút trên phạm vi toàn cầu. Công nghệ sợi quang học và vệ tinh viễn thông đã dẫn thay thế hệ thống điện tín cũ, nhưng điện vẫn giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực thông tin ngày nay.
Các hiệu ứng điện từ học có thể dễ dàng nhận thấy được ứng dụng trong động cơ điện, với hiệu suất hoạt động và thân thiện với môi trường hơn các động cơ truyền thống. Một cái tời có thể dễ dàng sử dụng để nâng kéo vật nặng, nhưng một động cơ điện có phạm vi ứng dụng rộng rãi hơn, như các xe điện, và các thiết bị này buộc phải mang theo một nguồn điện cung cấp đủ lâu như pin, hoặc chúng phải thu dòng điện từ các dây cáp như hệ thống xe điện.
Một trong những sáng chế quan trọng nhất của thế kỷ 20 đó là transistor, nó được ứng dụng nhiều trong các thiết bị điện tử, và cũng là một thành phần cơ bản trong các mạch điện tử hiện đại. Ngày nay, một mạch tích hợp chứa tới vài tỷ transitor trong phạm vi vài xentimét vuông.
Nhiều phương tiện giao thông công cộng cũng sử dụng điện, bao gồm xe điện và tàu điện ngầm.

Trong văn hóa

Trong thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20, điện chưa là phần thiết yếu và có mặt trong đời sống thường ngày của đa số mọi người, ngay cả ở những nước công nghiệp phương Tây. Trong văn hóa đại chúng thời đó thường minh họa nó như là một hiện tượng bí ẩn, có thể cướp đi mạng sống, khôi phục lại sự sống hoặc làm biến đổi các định luật trong tự nhiên. Quan điểm này bắt đầu từ thí nghiệm năm 1771 của Luigi Galvani với chân của những con ếch đã chết có thể động đậy được khi có dòng điện chạy qua nó. "Sự tái sinh" hoặc phụ hồi cái chết của một người được công bố trong các tài liệu y học ngay sau thí nghiệm của Galvani. Những kiểu báo cáo này đã được Mary Shelley đưa vào tiểu thuyết Frankenstein (1819), mặc dù bà không đặt tên cho các phương pháp tái sinh các quái vật trong tiểu thuyết này. Các quái vật tái sinh đã xuất hiện trong nhiều phim kinh dị và khoa học viễn tưởng sau này.
Khi xã hội bắt đầu quen với việc điện trở thành phần cốt lõi trong Cuộc cách mạng công nghiệp lần hai, những tính chất kỳ lạ của nó dần được lý giải và trở lên quen thuộc. Các thiết bị và xe chạy điện nhanh chóng được miêu tả trong các tiểu thuyết như của Jules Verne và trong sách của Tom Swift. Các nhà khoa học và kỹ thuật nghiên cứu về điện thời đó như Thomas Edison, Charles Steinmetz hay Nikola Tesla được công chúng coi như là những pháp sư về năng lượng.
Khi điện đã trở thành quá quen thuộc đối với con người trong nửa cuối thế kỷ 20, công chúng chỉ thật sự chú ý đến nó khi xảy ra các sự cố mất điện trên diện rộng, một sự kiện thường gây ra các thiệt hại lớn về kinh tế.