VatlyReal.com
Bài 6Miễn phí~35 phút

Bài 6 — Máy biến áp và truyền tải điện năng

Nguyên lí máy biến áp dựa trên cảm ứng điện từ, ứng dụng trong truyền tải điện.

Máy biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều. Nó gồm hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn quanh một lõi sắt từ chung.

U1U2=N1N2\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2}
Tỉ số điện áp bằng tỉ số vòng dây của hai cuộn.
I1I2=N2N1Phao phıˊ=I2R\dfrac{I_1}{I_2} = \dfrac{N_2}{N_1} \qquad P_{hao\ phí} = I^2 R
Tỉ số dòng điện (bỏ qua hao phí) và công suất hao phí trên đường dây.
  • N₂ > N₁: máy tăng áp (U₂ > U₁).
  • N₂ < N₁: máy hạ áp (U₂ < U₁).
  • Máy biến áp chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều.

Thí nghiệm tương tác — hãy làm theo từng bước

  1. 1Đặt N₂ > N₁: máy tăng áp, U₂ > U₁.
  2. 2Đặt N₂ < N₁: máy hạ áp, U₂ < U₁.
  3. 3Giữ tỉ số N₁/N₂ cố định, tăng U₁: U₂ tăng tỉ lệ thuận.

Máy biến áp

  • Cuộn sơ cấp (N₁)
  • Cuộn thứ cấp (N₂)
  • Từ thông trong lõi sắt
Tỉ số vòng dây
0.500
Điện áp ra U₂
440.0 V
Dòng thứ cấp I₂
2.750 A
Loại máy
Tăng áp

Máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ: tỉ số điện áp bằng tỉ số vòng dây U₁/U₂ = N₁/N₂. Nếu bỏ qua hao phí, công suất được bảo toàn nên tăng áp thì giảm dòng.

Thay đổi số vòng dây của hai cuộn và điện áp vào.
Ví dụ

Đề bài

Máy biến áp có N₁ = 1000 vòng, N₂ = 200 vòng, U₁ = 220 V. Tính U₂.

Lời giải

U₂ = U₁·N₂/N₁ = 220·200/1000 = 44 V (máy hạ áp).

Vật lý máy biến áp quanh em

Máy biến áp là "trái tim" của hệ thống điện — nó có mặt từ nhà máy phát điện đến chiếc sạc điện thoại trong túi em, dù ta hiếm khi nhìn thấy nó.

  • Cột điện cao thế ngoài đường truyền điện đi xa

    Điện từ nhà máy được máy biến áp tăng lên hàng trăm kV trước khi đưa lên đường dây cao thế. Vì công suất hao phí P = I²R, tăng điện áp U giúp giảm dòng I (do P = UI không đổi), nhờ đó hao phí trên đường dây giảm mạnh. Tới gần khu dân cư, lại có máy biến áp hạ áp xuống 220 V cho an toàn và phù hợp thiết bị.

    Lý thuyết của bài: P_hao phí = I²R — tăng U để giảm I, giảm hao phí.

  • Củ sạc laptop nặng lại biến 220 V xuống 19 V

    Trong củ sạc có một máy biến áp nhỏ với N₂ nhỏ hơn N₁ rất nhiều, đóng vai trò máy hạ áp. Theo U₁/U₂ = N₁/N₂, số vòng cuộn thứ cấp ít hơn giúp hạ điện áp lưới 220 V xuống mức an toàn cho laptop. Đó cũng là lí do củ sạc có lõi sắt và cuộn dây nên khá nặng.

    Lý thuyết của bài: U₁/U₂ = N₁/N₂ — giảm số vòng N₂ làm hạ điện áp.

  • Trạm biến áp đầu ngõ nhà em kêu "ù ù"

    Trạm biến áp nhận điện cao thế từ đường dây và hạ xuống 220 V cung cấp cho cả xóm. Tiếng "ù ù" phát ra do lõi sắt từ bị từ hoá đổi chiều liên tục theo dòng xoay chiều 50 Hz, khiến lá thép rung nhẹ. Máy biến áp chỉ hoạt động với dòng xoay chiều vì cần từ thông biến thiên mới sinh được suất điện động cảm ứng.

    Lý thuyết của bài: Máy biến áp hoạt động nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ với dòng xoay chiều.

  • Sạc nhanh cho điện thoại có dòng nạp lớn hơn

    Bên trong củ sạc nhanh, máy biến áp được thiết kế với tỉ số vòng dây phù hợp để cho dòng thứ cấp I₂ lớn. Theo I₁/I₂ = N₂/N₁ (bỏ qua hao phí), muốn dòng ra lớn thì cần N₂ lớn so với N₁. Máy biến áp vừa hạ áp vừa tăng dòng, giúp nạp pin nhanh mà vẫn đúng điện áp cần thiết.

    Lý thuyết của bài: I₁/I₂ = N₂/N₁ — máy hạ áp đồng thời tăng dòng thứ cấp.

  • Nồi cơm điện, máy sấy tóc dùng điện xoay chiều 220 V trong nhà

    Các thiết bị gia dụng được thiết kế chạy ở 220 V vì đó là mức điện áp mà máy biến áp hạ áp từ lưới cung cấp tới ổ điện. Nhờ máy biến áp linh hoạt đổi mức điện áp, cùng một lưới điện có thể phục vụ đồng thời đường dây truyền tải cao thế và các thiết bị dân dụng an toàn.

    Lý thuyết của bài: Máy biến áp cho phép biến đổi điện áp tùy mục đích sử dụng.

Vì sao lại có công thức U₁/U₂ = N₁/N₂?

Trực giác:Lõi sắt dẫn từ thông biến thiên xuyên qua cả hai cuộn dây như nhau, nên mỗi vòng dây ở cuộn sơ cấp và thứ cấp sinh ra cùng một suất điện động. Vì vậy điện áp tỉ lệ với số vòng dây: nhiều vòng thì điện áp cao hơn.

U1U2=N1N2Phao phiˊ=I2R\dfrac{U_1}{U_2} = \dfrac{N_1}{N_2} \qquad P_{hao\ ph\acute{i}} = I^2 R
Tỉ số điện áp của máy biến áp và công suất hao phí trên đường dây.
  1. 1Dòng xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt, và chính từ thông này cũng xuyên qua cuộn thứ cấp.
  2. 2Theo định luật cảm ứng điện từ, mỗi vòng dây đều sinh ra cùng một suất điện động cảm ứng e như nhau.
  3. 3Vậy cuộn có N₁ vòng có suất điện động tổng N₁·e, cuộn có N₂ vòng có suất điện động tổng N₂·e.
  4. 4Bỏ qua hao phí, suất điện động tổng chính là điện áp hai đầu cuộn: U₁ = N₁·e và U₂ = N₂·e. Lập tỉ số được U₁/U₂ = N₁/N₂.
  5. 5Vì công suất U₁I₁ ≈ U₂I₂, dòng điện tỉ lệ nghịch với điện áp: I₁/I₂ = N₂/N₁. Trên đường dây tải điện, hao phí là P_hao phí = I²R, nên giảm I bằng cách tăng U là cách hiệu quả nhất.

Ý nghĩa: Công thức U₁/U₂ = N₁/N₂ là hệ quả của việc mọi vòng dây cùng chia sẻ một từ thông biến thiên. Nhờ đó máy biến áp tăng hoặc hạ điện áp tuỳ ý, và trong truyền tải điện, việc tăng điện áp trước khi truyền giúp giảm dòng I nên giảm mạnh hao phí P = I²R.

Kiểm tra: Máy biến áp

10 câu hỏi · Điểm đạt 70%