Bài 3 · Chuyên đề học tập

Máy biến áp

Dùng U₂/U₁ = N₂/N₁ và P₁ = P₂ cho máy biến áp (điện áp, dòng điện, hiệu suất), hiểu vì sao máy biến áp không dùng được với dòng một chiều, và tính hao phí khi truyền tải điện đi xa ΔP = P²R/U².

Ứng với SGK Vật lí 12 (bộ thống nhất): Chuyên đề 1 · Bài 3

⚡ Nhớ nhanh

1Máy biến áp: lõi sắt khép kín, cuộn sơ cấp N₁ nối nguồn xoay chiều, cuộn thứ cấp N₂ nối tải. Hoạt động nhờ cảm ứng điện từ: từ thông trong lõi biến thiên.
2Điện áp hiệu dụng: U₂/U₁ = N₂/N₁. N₂ > N₁ là máy tăng áp, N₂ < N₁ là máy hạ áp.
3Lí tưởng: P₁ = P₂ ⇒ I₁/I₂ = N₂/N₁. Tăng áp k lần thì dòng thứ cấp giảm k lần; công suất không hề tăng. Thực tế H = P₂/P₁ < 1.
4Dòng một chiều không đổi ⇒ từ thông không đổi ⇒ U₂ = 0: máy biến áp không dùng được.
5Truyền tải điện: I = P/U, hao phí ΔP = I²R = P²R/U² (cosφ = 1). Tăng U lên n lần thì ΔP giảm n² lần.
6Bẫy: lấy U₂ = U₁N₁/N₂ (đảo tỉ số); cho rằng tăng áp thì công suất cũng tăng.

👀 Nhìn là hiểu

Kéo N₁, N₂, U₁ để xem U₂ và dòng hai cuộn; bật nguồn một chiều thì U₂ = 0. Nút "Truyền tải điện" cho thấy hao phí giảm 100 lần khi U tăng 10 lần. Tab Thí nghiệm đo U₂ theo N₂ và hao phí theo U; tab Đoán trước có 4 tình huống.

Điện áp U₂11,0 V

Tỉ số N₂/N₁0,050

Dòng sơ cấp I₁0,100 A

Dòng thứ cấp I₂2,00 A

Công suất P₁22,0 W

Công suất P₂22,0 W

Kéo thả tự do, xem số và đồ thị chạy theo.

Số vòng sơ cấp N₁: 1000 vòng Số vòng thứ cấp N₂: 50 vòng Điện áp hiệu dụng sơ cấp U₁: 220 V Công suất tải ở thứ cấp P₂: 22 W

Nguồn:

Hiệu suất H:

Máy hạ áp (N₂/N₁ = 0,050): U₂ = 11,0 V nhỏ hơn U₁, nhưng dòng thứ cấp I₂ = 2,00 A lớn hơn I₁ = 0,100 A (U giảm 20,0 lần thì I tăng 20,0 lần). Công suất không đổi (P₁ = P₂).

1 🔌 Máy biến áp lí tưởng

Cần nhớ

✦Cấu tạo: lõi sắt gồm nhiều lá thép mỏng ghép cách điện; cuộn sơ cấp (N₁ vòng, nối nguồn xoay chiều) và cuộn thứ cấp (N₂ vòng, nối tải).
✦Nguyên tắc: dòng xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo từ thông biến thiên trong lõi; từ thông này xuyên qua cuộn thứ cấp và gây suất điện động cảm ứng xoay chiều cùng tần số (bài 16).
✦Công thức: U₂/U₁ = N₂/N₁ (giá trị hiệu dụng). Đặt k = N₂/N₁: k > 1 máy tăng áp, k < 1 máy hạ áp.
✦Chỉ dùng cho dòng biến thiên: nối vào pin hay acquy thì dòng không đổi, từ thông không đổi, thứ cấp không có điện áp.

Dạng bài

Tính điện áp thứ cấp hoặc số vòng dây

1 Xác định cuộn sơ cấp (cuộn nối nguồn) và cuộn thứ cấp (cuộn nối tải). Kiểm tra nguồn là xoay chiều.
2 Viết U₂/U₁ = N₂/N₁ với cùng loại giá trị (hiệu dụng) ở cả hai vế.
3 Rút đại lượng cần tìm: U₂ = U₁N₂/N₁ hoặc N₂ = N₁U₂/U₁.
4 Thử lại bằng chiều: N₂ < N₁ thì U₂ phải nhỏ hơn U₁.

⚠️ Bẫy hay gặp: Viết ngược U₂ = U₁N₁/N₂ = 220 · 100050 = 4400 V. Máy hạ áp mà điện áp ra lại vọt lên 4400 V là vô lí, cuộn ít vòng hơn thì điện áp nhỏ hơn.

🔌

Làm mẫu

Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp 1000 vòng, cuộn thứ cấp 50 vòng, mắc vào mạng điện 220 V (hiệu dụng). Tính điện áp hiệu dụng ở hai đầu cuộn thứ cấp để hở. Đây là máy tăng hay hạ áp?

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

2 ⚙️ Dòng điện, công suất và hiệu suất

Cần nhớ

✦Máy lí tưởng không hao phí: P₁ = P₂, tức U₁I₁ = U₂I₂ (coi cosφ = 1) ⇒ I₁/I₂ = U₂/U₁ = N₂/N₁.
✦U tăng k lần thì I giảm k lần (và ngược lại). Máy không "sinh" thêm công suất, chỉ đổi cặp (U, I).
✦Hiệu suất H = P₂/P₁ = P_ra/P_vào. Phần hao phí biến thành nhiệt trong điện trở cuộn dây và trong lõi (dòng Fu-cô, từ trễ). Lõi ghép bằng lá thép mỏng cách điện để giảm dòng Fu-cô.
✦Khi H < 1 mà đề vẫn coi U₂/U₁ = N₂/N₁: lấy U₂ theo tỉ số vòng, rồi P₁ = P₂/H và I₁ = P₁/U₁.

Dạng bài

Tìm dòng điện hai cuộn khi biết công suất tải

1 Tính U₂ = U₁N₂/N₁ (tỉ số vòng).
2 Dòng thứ cấp: I₂ = P₂/U₂ (tải thuần trở, cosφ = 1).
3 Công suất sơ cấp: P₁ = P₂/H (lí tưởng thì H = 1).
4 Dòng sơ cấp: I₁ = P₁/U₁. Thử lại: lí tưởng thì I₁ = I₂N₂/N₁.

⚠️ Bẫy hay gặp: Nghĩ hạ áp 20 lần thì dòng thứ cấp cũng giảm 20 lần (0,1 A). Đúng là U giảm 20 lần thì I tăng 20 lần vì P không đổi: I₂ = 2 A, gấp 20 lần I₁.

💡

Làm mẫu

Máy hạ áp ở ví dụ trước (1000 vòng, 50 vòng, 220 V) nối thứ cấp với bóng đèn 22 W. Tính I₂ và I₁ khi máy lí tưởng, rồi I₁ khi hiệu suất 90 %.

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

3 ⚡ Truyền tải điện năng đi xa

Cần nhớ

✦Dây tải có điện trở R. Dòng I chạy trên dây toả nhiệt: ΔP = I²R.
✦Cần truyền công suất P ở điện áp U (đầu đường dây, cosφ = 1) thì I = P/U ⇒ ΔP = P²R/U², tỉ lệ hao phí ΔP/P = PR/U².
✦Tăng U lên n lần ⇒ I giảm n lần ⇒ ΔP giảm n² lần. Vì vậy nhà máy dùng máy tăng áp trước khi truyền đi, gần nơi dùng dùng máy hạ áp.
✦Giảm R (dây to hơn, đồng nhiều hơn) cũng làm ΔP giảm nhưng rất tốn kém; tăng U kinh tế hơn nhiều.

Dạng bài

Tính hao phí trên đường dây

1 Đổi về W, V, Ω: 100 kW = 10⁵ W; 2 kV = 2000 V.
2 Dòng trên dây: I = P/U.
3 Hao phí: ΔP = I²R, tỉ lệ ΔP/P.
4 Thử lại bằng tỉ lệ: U gấp n lần thì ΔP giảm n² lần.

⚠️ Bẫy hay gặp: Lấy U = 2 kV làm điện áp rơi trên dây rồi tính ΔP = U²/R = (2000)²/10 = 4·10⁵ W, còn lớn hơn cả công suất truyền. U là điện áp ở đầu đường dây; dòng trên dây phải tính I = P/U trước.

🏭

Làm mẫu

Nhà máy truyền P = 100 kW trên đường dây có điện trở tổng cộng R = 10 Ω. Tính hao phí và phần trăm hao phí khi điện áp ở đầu đường dây là 2 kV, rồi khi là 20 kV (cosφ = 1).

Hướng dẫn giải

Thử tự giải trước nhé!

4 🔬 Thí nghiệm máy biến áp và hao phí

Dạng bài

Các bước thí nghiệm (SGK)

1 Dụng cụ: nguồn xoay chiều 6,0 V, lõi sắt, cuộn sơ cấp N₁ = 200 vòng, cuộn thứ cấp có nhiều đầu ra (100 … 800 vòng), vôn kế xoay chiều.
2 Nối sơ cấp với nguồn xoay chiều, chọn một đầu ra của thứ cấp, đọc U₂ trên vôn kế. Lặp lại với ít nhất 5 giá trị N₂, ghi bảng, tính thêm U₂/N₂.
3 Vẽ đồ thị U₂ theo N₂: các điểm nằm trên đường thẳng qua gốc ⇒ U₂ tỉ lệ thuận với N₂.
4 Thử lại: U₂/N₂ ≈ U₁/N₁ = 6,0200 = 0,03 V/vòng ✓.

⚠️ Bẫy hay gặp: Nối cuộn sơ cấp vào pin thay vì nguồn xoay chiều: vôn kế ở thứ cấp chỉ 0 (chỉ nhích lên thoáng qua lúc đóng mạch). Trên sim, dòng ghi khi dùng nguồn một chiều được tô vàng.

Bảng số liệu A: U₂ theo N₂ (N₁ = 200 vòng, U₁ = 6,0 V)

N₂ (vòng)	U₂ (V)	U₂/N₂ (V/vòng)
100	3,0	0,0300
200	6,1	0,0305
400	11,9	0,0298
600	18,1	0,0302

Đọc bảng và thí nghiệm hao phí

✦Cột U₂/N₂ chênh nhau dưới 3 % ⇒ U₂ tỉ lệ thuận với N₂, hệ số ≈ 0,03 V/vòng = U₁/N₁. Dự đoán: N₂ = 500 vòng ⇒ U₂ ≈ 15 V.
✦Thí nghiệm mô phỏng hao phí (P = 100 kW, R = 10 Ω, đổi U): ΔP = 25,3; 6,2; 4,0; 1,0 kW ứng với U = 2; 4; 5; 10 kV. Tích ΔP·U² ≈ 100 kW·kV² gần như không đổi ⇒ ΔP tỉ lệ nghịch với U² (khớp P²R/1000 = 10⁴ · 101000 = 100).
✦Đồ thị ΔP theo U là đường cong đi xuống rất nhanh; vẽ ΔP theo 1/U² mới ra đường thẳng qua gốc, độ dốc ≈ P²R.

5 🏘️ Hiện tượng quanh ta

✦🏗️ Đường dây 500 kV Bắc – Nam: truyền hàng nghìn MW đi hàng nghìn km, nên điện áp phải rất cao để dòng trên dây nhỏ, hao phí nhiệt thấp.
✦🏘️ Trạm biến áp đầu xóm: hạ từ 22 kV xuống 0,4 kV (400 V giữa các pha, 220 V mỗi pha) trước khi vào nhà.
✦📱 Cục sạc điện thoại: bên trong có máy biến áp hạ 220 V xuống vài vôn và mạch chỉnh lưu đổi sang một chiều (bài 4). Cục sạc nhẹ ngày nay cho biến áp chạy ở tần số cao (hàng chục kHz) nên lõi rất nhỏ.
✦🔊 Tiếng ù của máy biến áp có tần số 100 Hz, gấp đôi tần số 50 Hz của lưới điện: lõi sắt rung theo từ trường biến thiên.
✦🔧 Máy hàn điện dùng máy hạ áp: điện áp thứ cấp thấp nhưng dòng rất lớn (hàng trăm ampe), đủ làm nóng chảy kim loại.

6 💡 Mẹo làm nhanh và lỗi hay sai

⚡ Mẹo làm nhanh trắc nghiệm

✦Nhẩm theo tỉ lệ: số vòng gấp k lần thì điện áp gấp k lần, dòng giảm k lần. 220 V → 11 V (hạ 20 lần) ⇒ dòng thứ cấp gấp 20 lần dòng sơ cấp.
✦Có chữ "một chiều", "pin", "acquy" nối vào máy biến áp ⇒ ngay lập tức U₂ = 0.
✦Hao phí điện năng: tăng U gấp n lần ⇒ ΔP giảm n² lần. 10 lần ⇒ 100 lần; 5 lần ⇒ 25 lần; 3 lần ⇒ 9 lần.
✦Phần trăm hao phí ΔP/P = PR/U² tỉ lệ nghịch với U² (cùng P, R).

⚠️ Lỗi hay sai nhất

✦Đảo tỉ số: 220 V qua máy 1000 → 50 vòng cho 11 V, không phải 4400 V.
✦Nghĩ máy tăng áp 220 → 2200 V thì công suất cũng tăng 10 lần. Máy lí tưởng: P₁ = P₂, dòng thứ cấp giảm 10 lần.
✦Hạ áp 20 lần mà cho dòng thứ cấp 0,1 A thay vì 2 A (22 W / 11 V).
✦Quên hiệu suất: 22 W, H = 90 % thì P₁ ≈ 24,4 W và I₁ ≈ 0,111 A, không phải 0,1 A.
✦Tính hao phí bằng ΔP = U²/R: với 2 kV và 10 Ω ra 4·10⁵ W, vô lí; đúng là ΔP = (P/U)²R = 25 kW.
✦Tăng U 10 lần mà nói hao phí giảm 10 lần. Đúng là 100 lần.

📏 Kiểm tra đơn vị và độ lớn

✦Công suất ra không bao giờ lớn hơn công suất vào: P₂ ≤ P₁; H luôn nhỏ hơn hoặc bằng 100 %.
✦Máy tăng áp: U₂ > U₁ nhưng I₂ < I₁. Máy hạ áp: U₂ < U₁ nhưng I₂ > I₁. Đáp số trái chiều là đã đảo tỉ số.
✦Đổi: 1 kW = 10³ W; 1 kV = 10³ V. Công thức P/U cho dòng A khi dùng W và V; dùng kW và kV cũng ra A (10³/10³).
✦Hao phí phải nhỏ hơn công suất truyền (ΔP < P). Nếu ΔP ≥ P thì đã tính sai hoặc U quá thấp.

✏️ Luyện tập

Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần kiến thức.

🔌

Máy biến áp lí tưởng

1
Nhận biết
Máy biến áp dùng để
2
Nhận biết
Cuộn sơ cấp của máy biến áp là cuộn
3
Thông hiểu
Máy biến áp lí tưởng có N₁ = 500 vòng, N₂ = 2000 vòng, mắc vào U₁ = 110 V. Điện áp ở thứ cấp là
4
Thông hiểu Máy hạ áp có cuộn sơ cấp 2200 vòng nối vào mạng 220 V. Muốn cuộn thứ cấp cho 12 V thì cuộn thứ cấp có vòng.
5
Thông hiểu
Máy biến áp có điện áp hiệu dụng ở thứ cấp lớn hơn ở sơ cấp thì
6
Thông hiểu
Nối cuộn sơ cấp của máy biến áp với acquy 12 V (dòng một chiều). Khi dòng đã ổn định, ở hai đầu cuộn thứ cấp có điện áp

⚙️

Dòng điện, công suất, hiệu suất

1
Nhận biết
Với máy biến áp lí tưởng, đại lượng nào ở hai cuộn dây bằng nhau?
2
Thông hiểu
Máy tăng áp lí tưởng có U₂ = 10U₁. Cường độ dòng điện hiệu dụng I₂ so với I₁
3
Thông hiểu Máy lí tưởng có N₁ = 2000 vòng, N₂ = 100 vòng, dòng ở cuộn thứ cấp I₂ = 4 A. Dòng ở cuộn sơ cấp I₁ = A.
4
Vận dụng
Máy hạ áp 220 V → 12 V có hiệu suất 90 %, thứ cấp nối bóng đèn 24 W. Dòng điện sơ cấp xấp xỉ
5
Vận dụng Máy biến áp có hiệu suất 80 %, sơ cấp nối 220 V và dòng sơ cấp 0,5 A. Công suất ở cuộn thứ cấp là W.

⚡

Truyền tải điện năng

1
Nhận biết
Công suất hao phí trên đường dây tải điện có điện trở R, truyền công suất P ở điện áp U (cosφ = 1) là
2
Thông hiểu
Trong thực tế, cách giảm hao phí điện năng hiệu quả và kinh tế nhất khi truyền tải điện đi xa là
3
Thông hiểu Giữ nguyên P và R, tăng điện áp truyền tải lên 5 lần thì hao phí giảm lần.
4
Thông hiểu
Truyền công suất 200 kW trên dây có R = 10 Ω, điện áp đầu dây 5 kV (cosφ = 1). Công suất hao phí là
5
Vận dụng Truyền công suất 1000 kW trên đường dây có R = 20 Ω. Muốn hao phí chỉ bằng 5 % công suất truyền thì điện áp ở đầu đường dây phải là kV (cosφ = 1).
6
Vận dụng
Hao phí điện năng trên một đường dây ban đầu là 36 % công suất truyền. Giữ nguyên P và R, tăng điện áp đầu dây lên 3 lần thì hao phí là

🔬

Thí nghiệm và số liệu

1
Thông hiểu
Thí nghiệm máy biến áp với N₁ = 200 vòng, U₁ = 6,0 V xoay chiều cho kết quả: $N_{2} (v o ˋ ng) U_{2} (V) 100 3, 0 200 6, 1 400 11, 9 600 18, 1$ Nhận xét nào đúng?
2
Thông hiểu Theo bảng số liệu ở câu trên, khi dùng cuộn thứ cấp N₂ = 500 vòng thì vôn kế chỉ khoảng V.
3
Thông hiểu
Thí nghiệm mô phỏng truyền tải 100 kW trên dây 10 Ω cho kết quả: $U (kV) Δ P (kW) 2 25, 3 4 6, 2 5 4, 0 10 1, 0$ Nhận xét nào đúng?
4
Vận dụng Theo bảng số liệu ở câu trên, khi điện áp là 8 kV thì hao phí khoảng kW (làm tròn đến 0,1).

🏘️

Hiện tượng quanh ta

1
Thông hiểu
Đường dây tải điện Bắc – Nam dùng điện áp 500 kV vì

🏆 Luyện theo dạng đề tốt nghiệp

Đề Vật lí có 3 phần: 18 câu 4 lựa chọn, 4 câu đúng/sai (mỗi câu 4 ý) và 6 câu trả lời ngắn (đáp số tối đa 4 ký tự, kể cả dấu − và dấu phẩy). Dưới đây là đủ 3 dạng, chỉ dùng kiến thức của bài này.

🅰️

Kiểm tra · Trắc nghiệm

1
Thông hiểu
Máy biến áp lí tưởng có N₁ = 400 vòng, N₂ = 20 vòng, sơ cấp nối 220 V. Thứ cấp nối tải, dòng thứ cấp 3 A. Dòng sơ cấp xấp xỉ
2
Thông hiểu
Giữ nguyên P và R, tăng điện áp truyền tải từ 10 kV lên 50 kV thì hao phí trên đường dây
3
Thông hiểu
Phát biểu nào đúng với máy biến áp lí tưởng?

✅

Kiểm tra · Đúng / sai

1
Thông hiểu
Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp 1000 vòng nối vào mạng điện xoay chiều 220 V, cuộn thứ cấp 100 vòng nối với điện trở 22 Ω.

a)Đây là máy hạ áp.

b)Điện áp hiệu dụng hai đầu thứ cấp là 22 V.

c)Cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là 10 A.

d)Nếu thay mạng điện bằng nguồn một chiều 220 V thì điện áp hai đầu thứ cấp vẫn là 22 V.
2
Vận dụng
Trạm phát truyền công suất 200 kW trên đường dây có điện trở tổng cộng 20 Ω, điện áp ở đầu đường dây là 4 kV (cosφ = 1).

a)Dòng điện chạy trên dây là 50 A.

b)Công suất hao phí trên dây là 50 kW.

c)Hao phí chiếm 50 % công suất truyền.

d)Nếu tăng điện áp đầu đường dây lên 8 kV thì hao phí giảm một nửa, còn 25 kW.

🔢

Kiểm tra · Trả lời ngắn

1
Thông hiểu Cuộn sơ cấp của máy biến áp lí tưởng có 800 vòng, nối 220 V. Muốn thứ cấp cho 27,5 V thì cuộn thứ cấp có bao nhiêu vòng? Đáp số:
2
Vận dụng Máy biến áp có hiệu suất 90 %, N₁ = 1000 vòng, N₂ = 50 vòng, U₁ = 220 V, thứ cấp nối bóng đèn 22 W. Dòng điện sơ cấp là bao nhiêu mA (làm tròn đến hàng đơn vị)? Đáp số:
3
Vận dụng Hao phí điện năng trên một đường dây là 16 % công suất truyền. Giữ nguyên P và R, phải tăng điện áp đầu đường dây lên bao nhiêu lần để hao phí chỉ còn 1 %? Đáp số:

🎯 Bài này vào đề tốt nghiệp ở đâu?

•Chuyên đề không có trong đề thi tốt nghiệp; nội dung này dùng cho kiểm tra trên lớp và đánh giá chuyên đề.
•Hay hỏi tính U₂, N₂ hoặc dòng điện hai cuộn từ U₂/U₁ = N₂/N₁ và P₁ = P₂, có thể thêm hiệu suất H < 1.
•Hay hỏi truyền tải điện đi xa: tính I = P/U, hao phí ΔP = P²R/U², so sánh khi đổi U, hoặc tìm U để hao phí chỉ còn một tỉ lệ cho trước.
•Hay có câu giải thích vì sao máy biến áp không dùng được với dòng một chiều và vì sao phải tăng áp khi truyền tải.

Làm đề thi thử trọn bộ

Bài tiếp theo
Chỉnh lưu dòng điện xoay chiều