Câu chuyện khoa học

Pin, dòng điện nhân tạo

SGTT - Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta đều đã quá quen với cái pin, một vật dụng nhỏ bé sản xuất ra điện dùng trong các loại máy như chiếc điện thoại cầm tay, cái điều khiển từ xa để bật, tắt truyền hình. Đúng hơn, người ta thường chỉ nhớ tới nó khi… hết điện, nhưng đó lại là chuyện khác!

Việc thải các pin cũ ra môi trường, với những hoá chất độc hại, là một bài toán nan giải ở nhiều nước. Ảnh: T.L

Một sự tình cờ, người viết bài này xem trên trang mạng bib.num và đọc được bài báo khoa học đầu tiên mô tả phát minh đơn giản mà vĩ đại này, cách đây 210 năm, của nhà vật lý học kiệt suất người Ý Alessandro Volta (1745 – 1827), người mà tên tuổi được đặt cho đơn vị điện thế luôn luôn đi kèm mỗi chiếc pin: volt (tiếng Việt: von, như pin 1,5 von, pin 3 von...).

Máy phát điện nhân tạo

Bài báo nhan đề On the Electricity excited by the mere Contact of conducting Substances of different kinds được đăng trên tạp chí “Philosophical transactions” của viện Hàn lâm khoa học Anh (the Royal Society of London), tập 90, năm 1800. Ngoài cái tên, bài báo in lại một lá thư viết bằng tiếng Pháp, đề ngày 20.3.1800, gửi một người bạn của Volta ở Anh và được chủ tịch viện Hàn lâm, nhà bác học Joseph Banks, đọc trong buổi họp của viện ngày 26.6 cùng năm. Trong cuốn sách về lịch sử văn minh Tây phương “The printing and the mind of man” (năm 1967), John Carter và Percy Muir đánh giá tầm quan trọng của phát minh của Volta như sau: “Tính cần thiết và phổ quát của điện trong văn minh Tây phương, dưới một dạng này hay dạng khác, làm nổi bật sự thật là trước năm 1800, môi trường sống của con người gần gũi với đời sống ở Ai Cập cổ hơn là với đời sống của chúng ta hiện nay. Phát minh của Volta là một trong những nguyên nhân đầu tiên và quan trọng nhất của thay đổi này” (dịch từ tiếng Pháp, theo đoạn trích của Jean-Jacques Samueli và Jean-Claude Boudenot, bài giới thiệu công trình của Volta trên bib.num).

Như trong bài của Volta mô tả, chiếc “máy phát điện nhân tạo” (organe electrique artificiel) mà ông sáng chế thật ra cực kỳ đơn giản: “chỉ là tập hợp một số những chất dẫn điện có tính chất khác nhau, sắp xếp theo một cách nào đó”. Cụ thể, như Volta trình bày rất dễ hiểu, là khoảng 20 đơn vị chồng lên nhau. Mỗi đơn vị gồm một chiếc đĩa bằng đồng (hay tốt hơn, bằng bạc), và một chiếc đĩa thiếc (hay kẽm) xấp xỉ cùng bán kính, được chia cách bằng một tấm bìa (hay da) tẩm nước muối. Tấm da nhỏ hơn các đĩa kim loại. Đĩa bạc của đơn vị thứ hai sẽ chồng lên đĩa thiếc của cái thứ nhất, và cứ tiếp tục như thế cho đến cái cuối cùng. Ở cuối và đầu chồng đĩa là một chất dẫn điện (dây kim loại, hoặc một bộ phận của thân người!). Khi hai chất dẫn điện chập với nhau (hai tay người, mỗi tay áp sát vào một đầu của chồng đĩa), một dòng điện sẽ chạy qua. Volta đã không ngần ngại thử nghiệm dòng điện chạy qua thân mình với chiếc máy đầu tiên của ông!

Liên tục cải tiến tuổi thọ, mẫu mã pin

“Máy phát điện nhân tạo” đầu tiên vừa ra đời, nhưng cái tên dài dòng đó không truyền lại hậu thế. Người đời giữ lại hình ảnh chiếc máy từ mô tả của ông, gọi nó là một chồng, tiếng Ý là pila, tiếng Pháp pile sẽ được phiên âm ra tiếng Việt: pin. Volta cũng không có trong tay lý thuyết về cấu tạo nguyên tử của hoá chất để giải thích các phản ứng lý – hoá tạo ra dòng điện trong chiếc “máy” của ông: ở hai cực của pin, trong dung dịch điện phân (nước muối) sẽ diễn ra hai “nửa-phản ứng”, oxy hoá (ở cực dương) và khử (cực âm), tạo ra một trao đổi electron (điện tử), và khi một sợi dây dẫn điện được nối với hai cực của pin, electron chạy vào dây tạo ra dòng điện.

Nguyên tắc cơ bản này được cải tiến nhiều lần trong suốt thế kỷ 19. Năm 1836, nhà hoá học người Anh John Daniell chế ra loại pin (mang tên ông sau đó) dùng hai dung dịch điện phân khác nhau bao quanh hai cực (kẽm và đồng), nối với nhau bằng một “cầu điện phân”, còn gọi là “cầu muối” vì làm bằng clorua kali (KCl), nhằm giữ thế cân bằng các electron ở hai cực. Năm 1866, Georges Leclanché (Pháp) chế ra chiếc pin khô hình thỏi quen thuộc ngày nay, với một cực bằng kẽm và một bằng than chì (graphite) bao chung quanh bởi một lớp dioxiT mangan (MnO2). Loại pin này được cải tiến sau đó bằng việc sử dụng dung dịch hydroxit kali (KOH) làm chất điện phân, do đó được gọi là các pin kiềm (alkaline), có tuổi thọ lớn hơn nhiều so với các pin Leclanché loại cũ, nhưng vẫn giữ hình thỏi cùng cỡ với các pin này (hai cỡ phổ biến, theo ký hiệu quốc tế là AAA – nhỏ và AA – lớn hơn). Các loại pin dùng thuỷ ngân cũng thông dụng từ những năm 1960 trước khi bị cấm (ở châu Âu, từ năm 1998) vì vấn đề ô nhiễm môi trường. Các loại pin hình nút áo, chủ yếu dùng lithium và dioxit mangan ở hai cực, được dùng trong các loại vật dụng nhỏ như đồng hồ, trò chơi điện hoặc điện tử, máy điều khiển từ xa…

Tác động tới môi trường

Sau cùng, không thể không nói tới vấn nạn lớn mà việc dùng pin tạo ra cho môi trường. Hiện nay, cả thế giới tiêu thụ hàng năm hàng chục tỉ pin các loại (riêng ở Pháp, năm 2005 là một tỉ). Chưa kể tác động tới môi trường của ngay chính việc sản xuất ra khối lượng pin lớn đó (quá trình thao tác các kim loại nặng dùng trong pin, năng lượng để chế biến các hoá chất…) thì việc thải các pin cũ ra môi trường, với những hoá chất độc hại, là một bài toán nan giải.

Mặc dù các nước Tây phương đều đã có luật cấm vất pin, trừ ở những nơi được chỉ định để thu nhập pin cũ (ở Pháp, các hiệu bán pin đều buộc phải nhận pin cũ của khách hàng để đưa đến các nơi tập trung) nhằm mục đích cải tạo lại các hoá chất tác hại cho môi trường nhưng các tổ chức hoạt động môi trường (như Les Amis de la Terre ở Pháp) cho rằng các biện pháp đưa ra chưa đủ hữu hiệu, và họ thường xuyên nhắc nhở người dùng hạn chế sử dụng pin trong chừng mực có thể (dùng những vật dụng sử dụng năng lượng mặt trời) và ưu tiên dùng các loại pin sạc lại được.

Hà Dương Tường