Mọi người ơi,
Sự quan tâm của tôi đối với lịch sử điện tử bắt đầu nảy sinh khi tôi tham dự một buổi thuyết trình vào giữa những năm 1990 do nhà khoa học đoạt giải Nobel Arno Penzias trình bày về chủ đề này. Penzias là một trong những người đồng phát hiện ra Phông nền vi sóng vũ trụ, hiện tượng này là bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ lý thuyết Big Bang về sự hình thành vũ trụ.
Một điểm nổi bật trong bài phát biểu của Penzias là khi ông nói: “Năm 1972, một megabyte bộ nhớ máy tính có giá 1 triệu đô la. Con số đó tương đương với giá của một tòa nhà chung cư nhỏ ở New Jersey vào thời điểm đó. Ngày nay (năm 1994), một megabyte bộ nhớ thậm chí không đủ để mua một cái bản lề cửa trong tòa nhà chung cư đó.”
Tôi thường xuyên nghĩ lại điều này mỗi khi suy ngẫm về những bước tiến nhanh chóng trong lĩnh vực điện tử. Những bước tiến này đã dẫn đến việc chiếc điện thoại thông minh giá 1.000 đô la ngày nay sở hữu sức mạnh tính toán gấp nhiều lần so với siêu máy tính nhanh nhất năm 1995, và còn vượt trội hơn cả tổng sức mạnh tính toán của tất cả các siêu máy tính vào năm 1990.
Hãy bắt đầu bằng một câu hỏi đơn giản: điều gì định nghĩa nên sự hiện đại? Điện thoại thông minh? Tivi? Internet? Ánh sáng điện? Tôi nghĩ câu trả lời đơn giản hơn: đó là điện. Điện chính là yếu tố then chốt tạo nên tất cả những điều đó. Và nếu không có electron, điện sẽ không tồn tại.
Lịch sử của electron
Điều hữu ích nhất trong vật lý, đó là electron, đã ra đời cách đây khoảng 13,8 tỷ năm trong vụ Nổ Lớn. Electron ra đời cùng với khoảng1080 “anh chị em”. Sự ra đời của nó cũng diễn ra cùng lúc với tất cả các dạng vật chất khác, những thứ sau này sẽ trở thành hàng nghìn tỷ, hàng nghìn tỷ ngôi sao trong vũ trụ có thể quan sát được. Số lượng các ngôi sao này nhiều đến mức, nếu mỗi ngôi sao là một hạt cát, chúng sẽ phủ kín Trái Đất với độ dày hơn một mét.
Hình 1 cho thấy một hình ảnh không gian sâu được chụp bởi kính viễn vọng James Webb. Những thiên hà nhỏ màu đỏ này đã hình thành chưa đầy vài trăm triệu năm sau Vụ Nổ Lớn. Do đó, chúng ta đang quan sát những thiên hà này trong khoảng thời gian rất ngắn sau khi chúng hình thành. Chúng chứa những electron trẻ nhất từng được quan sát. Những thiên hà này có màu đỏ vì chúng bị dịch chuyển đỏ khi đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ cao.
Hình 1. Hình ảnh không gian sâu do kính viễn vọng Webb chụp. Các thiên hà màu đỏ trong hình ảnh này chỉ mới hình thành được vài trăm triệu năm. Nguồn hình ảnh: NASA, CSA và STScI; Xử lý hình ảnh bởi E. Siegel.
Phải đến năm 1820 sau Công nguyên, con người mới bắt đầu khai thác được electron. Tuy nhiên, sẽ là một sai lầm nếu coi nhẹ vai trò của hạt nhỏ bé này trong suốt thời gian trước đó. Tất cả các vật chất trong tự nhiên đều được liên kết với nhau nhờ lực điện, từ những con virus bé nhỏ cho đến những ngôi sao khổng lồ. Nếu không có các tính chất của electron, sẽ không có bất kỳ vật chất nào tồn tại.
Tại sao năm 1820 lại quan trọng? Chính trong năm này, Hans Christian Ørsted đã có một phát hiện tình cờ dẫn đến những ứng dụng hữu ích của điện. Ông đang trình bày một bài giảng khoa học công khai tại Đại học Copenhagen về hiệu ứng sinh nhiệt của điện. Ông đã sử dụng một viên pin, được Volta phát minh vào năm 1800. Trong buổi thuyết trình, Ørsted đã rất ngạc nhiên khi thấy rằng khi một la bàn được đặt gần một sợi dây dẫn có dòng điện chạy qua, kim la bàn bị lệch hướng. Phát hiện này đã chứng minh rằng điện và từ trường có mối liên hệ với nhau. Các nghiên cứu tiếp theo của André-Marie Ampère, Michael Faraday và cuối cùng là James Clerk Maxwell đã dẫn đến việc hệ thống hóa lý thuyết điện từ (EM) thành các Phương trình Maxwell vào năm 1865. Các phương trình này là nền tảng cho việc thiết kế hầu hết các thiết bị điện.
Kỹ thuật hàn đã xuất hiện từ trước thời Julius Caesar (100 – 44 TCN) so với thời đại của chúng ta. Kỹ thuật hàn đã được thực hiện từ khoảng năm 3500 trước Công nguyên. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu thời kỳ đầu như Hans Christian Ørsted và Michael Faraday lại không sử dụng kỹ thuật hàn. Hầu hết các kết nối điện trong các thí nghiệm của họ chỉ mang tính tạm thời, vì vậy họ sử dụng các phương pháp cơ học hoặc thậm chí nhúng các dây dẫn cần kết nối vào một bình chứa thủy ngân.
Báo điện tín, điện thoại và đèn điện
Tuy nhiên, từ rất lâu trước năm 1865, các nhà phát minh đã bắt đầu ứng dụng điện từ học vào thực tiễn. Một trong những phát minh đầu tiên sử dụng điện từ học chính là điện báo. Samuel F. B. Morse đã hoàn thiện nó và chọn người đồng hành để triển khai công nghệ này chính là Ezra Cornell – người sáng lập trường đại học mà tôi từng theo học. Khó có thể đánh giá thấp tầm quan trọng của điện báo. Cùng với đường sắt và nhiếp ảnh, nó đã biến Nội chiến Mỹ trở thành cuộc chiến hiện đại đầu tiên. Tổng thống Lincoln thường xuyên lui tới văn phòng điện báo ở Washington D.C., sử dụng điện báo để chỉ huy cuộc chiến từ xa, cách xa các chiến trường. Việc Liên minh miền Bắc sử dụng tàu hỏa để vận chuyển quân đội và vật tư là điều chưa từng có tiền lệ, vượt xa khả năng của miền Nam. Việc miền Bắc sử dụng hai công cụ hiện đại này đã đóng vai trò quan trọng trong chiến thắng của họ. Trong suốt thời gian đó, các nhiếp ảnh gia như Mathew Brady đã mang những cảnh tượng kinh hoàng của chiến tranh đến với người dân.
Sự ra đời của điện báo thực sự đã mở đường cho kỹ thuật hàn điện, bởi lúc này người ta cần một liên kết bền vững giữa các dây dẫn và linh kiện. Công việc hàn được thực hiện bằng các kỹ thuật do những thợ làm đồ thiếc thời bấy giờ phát triển. Người ta sử dụng hợp kim hàn thiếc-chì với tỷ lệ 60-40, gần giống với công thức 63-37 – loại vừa mới bị loại bỏ khỏi thị trường thương mại. Bàn hàn được làm từ một khối đồng được đúc thành hình chóp nhọn và nung nóng trong than hồng, tương tự như cách thợ rèn nung nóng kim loại. Bàn hàn điện chỉ xuất hiện vào những năm 1890. Hợp kim hàn ở dạng thanh hoặc dây được sử dụng, như thể hiện trong Hình 2.
Hình 2. Chất hàn dạng thanh và dây hàn đã được sử dụng trong ngành điện báo từ giữa thế kỷ 19. Mặc dù lúc đó Công ty Indium Corporation chưa ra đời, nhưng chất hàn được sử dụng trong giai đoạn này khá giống với chất hàn dạng thanh và dây hàn ngày nay.
Tác động thực sự của điện báo được thể hiện qua sự kết hợp của nó với tàu hỏa trong tuyến đường sắt xuyên lục địa. Những người làm đường sắt đã khẩn thiết đề nghị Quốc hội cấp kinh phí để xây dựng tuyến đường từ bờ biển này sang bờ biển kia, vì họ khẳng định không thể thực hiện công trình khổng lồ như vậy mà không có sự hỗ trợ tài chính từ chính phủ. Quốc hội, vốn khá linh hoạt, đã đồng ý, nhưng với điều kiện ngành đường sắt phải lắp đặt các đường dây điện báo dọc theo toàn bộ tuyến đường ray. Tuyến đường sắt xuyên lục địa được hoàn thành vào năm 1869 trong sự hân hoan rầm rộ và đã tạo ra một tác động đáng kinh ngạc đối với sự phát triển của miền Tây Hoa Kỳ.
Những người thuộc nhóm “49ers” khởi hành từ New England phải mất tới 8 tháng mới đến được các mỏ vàng ở California. Đến năm 1870, chuyến đi này chỉ còn mất 4 ngày, và người ta có thể gửi điện tín ngay lập tức cho bạn bè và gia đình để báo tin rằng mình đang trên đường đến. Chưa bao giờ trong lịch sử lại có một sự thay đổi lớn như vậy. Năm 1850, có thể mất hàng tháng trời để một thông điệp từ New York đến San Francisco. Đến năm 1870, chỉ còn vài phút.
Đến năm 1877, lý thuyết điện từ đã có ứng dụng thực tiễn đầu tiên thông qua đường dây điện thoại nối từ Boston đến Somerville, bang Massachusetts, với khoảng cách 3 dặm. Đến năm 1900, số lượng điện thoại tại Hoa Kỳ đã lên tới gần 1,5 triệu chiếc. Sự phổ biến của điện thoại đã làm tăng nhu cầu về hàn. Vào thời điểm này, việc sử dụng mỏ hàn điện để hàn dây đã trở nên phổ biến hơn.
Chúng ta có thể đánh giá quá cao tầm quan trọng của điện báo và điện thoại so với chiếu sáng bằng điện. Vào giữa thế kỷ 19, dầu cá voi thường là lựa chọn tốt nhất cho việc chiếu sáng trong nhà. Loại dầu này cháy sạch và sáng, nhưng có mùi hôi và tốn hàng trăm đô la (theo giá trị hiện nay) mỗi tháng. Dầu hỏa là một sự thay thế được hoan nghênh, đặc biệt là với “Standard Oil” của John D. Rockefeller. Tuy nhiên, đèn điện rẻ tiền đã thay thế tất cả các công nghệ chiếu sáng bốc mùi và nguy hiểm này. Việc áp dụng đèn điện đã châm ngòi cho cuộc chiến “chiến tranh dòng điện” giữa Edison với Tesla và Westinghouse. Tiết lộ trước kết quả: dòng điện xoay chiều (AC) của Tesla đã chiến thắng. Tất cả những tiến bộ này đã tạo ra nhu cầu ngày càng lớn về việc hàn bằng dây hàn và mỏ hàn.
Khi đèn điện ngày càng trở nên phổ biến, đài phát thanh cũng bắt đầu xuất hiện. Ban đầu, những người đam mê sử dụng các tinh thể sunfua chì (galena) để thu sóng điện từ. Các tinh thể này không cần khuếch đại, nhưng tín hiệu rất yếu, nên cần phải dùng tai nghe mới nghe được âm thanh. Phát minh ống chân không triode của Lee DeForest đã cách mạng hóa ngành phát thanh, vì nhờ đó các tín hiệu yếu có thể được khuếch đại để truyền đến loa. Giờ đây, cả gia đình đều có thể nghe chương trình phát thanh. Đáng ngạc nhiên là ngành công nghiệp phát thanh không bùng nổ chỉ trong một đêm. Mô hình kinh doanh ngày nay (tài trợ cho đài phát thanh bằng quảng cáo) không xuất hiện ngay lập tức; phải mất gần một thập kỷ.
Đài phát thanh
Đến những năm 1930, đài phát thanh đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của người Mỹ. Trong thời kỳ Đại suy thoái, đài phát thanh đóng vai trò là nguồn tin tức, giải trí chính và là cầu nối gắn kết cho nhiều gia đình. Bất chấp những khó khăn về tài chính, mức giá phải chăng và giá trị mà đài phát thanh mang lại đã khiến nó trở thành vật dụng thiết yếu trong các hộ gia đình Mỹ. Đến năm 1930, hơn 40% các hộ gia đình Mỹ sở hữu một chiếc đài phát thanh, và đến cuối thập niên đó, con số này đã tăng gấp hơn hai lần, lên 83%.
Vai trò của đài phát thanh không chỉ dừng lại ở việc giải trí; nó còn là công cụ gắn kết và mang lại sự an ủi. Chẳng hạn, các buổi “Trò chuyện bên lò sưởi” của Tổng thống Franklin D. Roosevelt đã mang lại sự an ủi và tạo điều kiện giao tiếp trực tiếp với người dân trong những thời kỳ đầy biến động.
Việc sản xuất máy thu phát vô tuyến đã tạo ra ngành công nghiệp lắp ráp điện tử. Hoạt động lắp ráp máy thu phát vô tuyến bắt đầu vào cuối những năm 1920 và đã hình thành một quy trình có hệ thống nhờ nhu cầu chưa từng có trong Chiến tranh Thế giới thứ Hai. Việc thiết lập các tiêu chuẩn kỹ thuật quân sự cũng đã tạo ra sự kỷ luật trong các quy trình lắp ráp. Một chiếc máy thu phát vô tuyến như thế này hẳn đã được lắp ráp thủ công bằng cách hàn và sử dụng chất trợ hàn nhưdây hàn của Indium Corporation.
Một chiếc radio như thế này hẳn đã được lắp ráp thủ công bằng cách hàn và sử dụng các chất trợ hàn nhưdây hàn của Indium Corporation.
Trong suốt thập niên 1950, ngành điện tử phát triển mạnh mẽ khi tivi dần thay thế đài phát thanh. Việc áp dụng rộng rãi bảng mạch in trong thập niên 1940 đến 1950 đã giảm bớt sự phức tạp của việc nối dây điểm-điểm trong các thiết bị đài phát thanh hay tivi. Ban đầu, việc hàn tay vẫn được thực hiện, nhưng đến thập niên 1950, phương pháp hàn sóng đã xuất hiện, sử dụng các loại hàn dạng thanh và chất trợ hàn của Indium Corporation. Phương pháp hàn sóng đã mở đường cho quá trình lắp ráp điện tử trong ngành máy tính.
Hãy tiếp tục theo dõi để tìm hiểu cách ngành sản xuất tivi đã dẫn đến sự ra đời của ngành lắp ráp điện tử hiện đại, và ngành sản xuất máy ảnh cá nhân đã mang đến cho chúng ta những công nghệ làm nền tảng cho sự ra đời của điện thoại thông minh.
Chúc mừng,
Tiến sĩ Ron
