Bạn có bao giờ thắc mắc vì sao cục sạc điện thoại của bạn nhỏ xíu mà lại biến được điện 220 V trong ổ điện thành điện 5 V để sạc pin? Hay vì sao những đường dây điện cao thế chạy dọc khắp đất nước lại mang điện áp lên tới 500.000 V, trong khi điện vào nhà bạn chỉ có 220 V? Câu trả lời nằm trong một thiết bị tưởng chừng rất đơn giản: máy biến áp. Nó không có bộ phận nào chuyển động, không có pin, không có mạch điện tử phức tạp — chỉ có hai cuộn dây quấn quanh một lõi sắt. Thế nhưng chính thiết bị im lặng ấy đã làm nên cả hệ thống điện hiện đại: tăng điện áp lên thật cao để truyền tải đi xa mà ít hao phí, rồi hạ điện áp xuống thật thấp để dùng an toàn trong nhà.
Bài này sẽ giúp bạn làm chủ công thức máy biến áp một cách có hệ thống: từ cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của máy biến áp, công thức U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = I₂ / I₁, cách phân biệt máy tăng áp và máy hạ áp, cho tới 4 ví dụ tính từng bước và 5 bài tập trắc nghiệm có đáp án chi tiết. Đây là bài học kết nối định luật Faraday với đời sống — học xong bài này, bạn sẽ hiểu vì sao mỗi khu phố đều có một trạm biến áp, và vì sao sạc điện thoại của bạn không bao giờ làm cháy pin.
Máy biến áp là gì? Hai cuộn dây, một lõi sắt, và một tỉ số vàng
Máy biến áp là thiết bị dùng để biến đổi điện áp của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số của nó. Cấu tạo của máy biến áp gồm hai cuộn dây quấn quanh một lõi sắt khép kín: cuộn sơ cấp có N₁ vòng dây, nối với nguồn điện xoay chiều có điện áp U₁; cuộn thứ cấp có N₂ vòng dây, nối với mạch tiêu thụ điện có điện áp U₂. Lõi sắt có tác dụng dẫn từ thông từ cuộn sơ cấp sang cuộn thứ cấp một cách hiệu quả, để hầu như toàn bộ từ thông sinh ra ở cuộn sơ cấp đều đi qua cuộn thứ cấp. Bạn hãy nhớ: máy biến áp chỉ làm việc với dòng điện xoay chiều, không làm việc với dòng điện một chiều — vì chỉ dòng xoay chiều mới tạo ra từ thông biến thiên, mà từ thông biến thiên mới sinh ra suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp.
Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ mà bạn đã học ở bài định luật Faraday. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra một từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường biến thiên này làm từ thông qua cuộn thứ cấp biến thiên theo, sinh ra suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp. Vì cả hai cuộn dây cùng chia sẻ một từ thông biến thiên như nhau nên suất điện động cảm ứng trên mỗi vòng dây của hai cuộn là như nhau. Cuộn nào có nhiều vòng dây hơn thì tổng suất điện động lớn hơn — và đó chính là nguồn gốc của công thức máy biến áp: U₁ / U₂ = N₁ / N₂. Tỉ số điện áp bằng tỉ số số vòng dây, một tỉ lệ đơn giản mà đẹp đẽ.
Với máy biến áp lí tưởng — tức là máy biến áp không có hao phí, toàn bộ công suất đưa vào cuộn sơ cấp đều được truyền sang cuộn thứ cấp — thì công suất ở hai cuộn bằng nhau: P₁ = P₂, tức là U₁ · I₁ = U₂ · I₂. Từ đó bạn suy ra I₂ / I₁ = U₁ / U₂ = N₁ / N₂. Công thức đầy đủ của máy biến áp lí tưởng là U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = I₂ / I₁. Bạn hãy chú ý vào chiều của tỉ số dòng điện: tỉ số dòng điện là tỉ số nghịch đảo của tỉ số điện áp. Khi điện áp tăng lên bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm đi bấy nhiêu lần, và ngược lại. Điều này hoàn toàn hợp lí vì công suất được bảo toàn: bạn không thể vừa tăng điện áp vừa tăng dòng điện, vì như vậy công suất sẽ tự sinh ra từ hư không.
Dựa vào tỉ số số vòng dây, người ta chia máy biến áp thành hai loại. Máy tăng áp là máy có N₂ > N₁, tức là cuộn thứ cấp có nhiều vòng dây hơn cuộn sơ cấp, nên U₂ > U₁ — điện áp ra lớn hơn điện áp vào. Máy tăng áp được dùng ở nhà máy điện để tăng điện áp lên hàng trăm nghìn vôn trước khi truyền tải đi xa. Máy hạ áp là máy có N₂ < N₁, tức là cuộn thứ cấp có ít vòng dây hơn cuộn sơ cấp, nên U₂ < U₁ — điện áp ra nhỏ hơn điện áp vào. Máy hạ áp được dùng ở trạm biến áp khu phố để hạ điện áp từ hàng nghìn vôn xuống 220 V, và trong cục sạc điện thoại để hạ điện áp từ 220 V xuống 5 V. Khi cần kiểm tra lại phép tính, bạn có thể nhờ máy tính Casio online trên ClassOn hỗ trợ.
Vì sao người ta phải tăng điện áp lên thật cao khi truyền tải điện đi xa? Lí do nằm ở công thức hao phí tỏa nhiệt trên đường dây: P_hp = R · I², trong đó R là điện trở của đường dây và I là cường độ dòng điện truyền tải. Với cùng một công suất cần truyền tải P = U · I, nếu tăng điện áp U lên 10 lần thì cường độ dòng điện I giảm đi 10 lần, và hao phí tỏa nhiệt giảm đi 100 lần (vì hao phí tỉ lệ với bình phương của cường độ). Đó là lí do vì sao đường dây 500 kV truyền tải điện từ nhà máy thủy điện ở miền núi về thành phố mà chỉ hao phí một phần rất nhỏ. Nếu truyền tải bằng điện áp 220 V thì hao phí sẽ lớn đến mức gần như toàn bộ điện năng biến thành nhiệt trên đường dây trước khi tới nơi. Nếu muốn ôn lại cách tính công suất của dòng điện, bạn hãy xem bài tính công suất điện.
Bốn bài toán mẫu tính từng bước
Ví dụ 1 (dùng đúng số liệu mẫu): Một máy biến áp có cuộn sơ cấp N₁ = 200 vòng, cuộn thứ cấp N₂ = 2000 vòng. Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp là U₁ = 220 V. Tính điện áp ở cuộn thứ cấp U₂.
Bạn áp dụng công thức U₁ / U₂ = N₁ / N₂, suy ra U₂ = U₁ · N₂ / N₁. Thay số: U₂ = 220 × 2000 / 200 = 220 × 10 = 2200 V. Vậy điện áp ở cuộn thứ cấp bằng 2200 V. Bạn hãy để ý: vì N₂ gấp 10 lần N₁ nên U₂ cũng gấp 10 lần U₁ — đây là máy tăng áp, điện áp ra lớn hơn điện áp vào 10 lần. Nếu bạn đổi vai trò hai cuộn dây — đặt điện áp 2200 V vào cuộn có 2000 vòng — thì điện áp ra ở cuộn 200 vòng sẽ là 220 V, máy biến áp trở thành máy hạ áp. Một máy biến áp có thể vừa là máy tăng áp vừa là máy hạ áp, tùy thuộc vào cuộn nào được dùng làm cuộn sơ cấp.
Ví dụ 2 (máy hạ áp): Một máy biến áp có cuộn sơ cấp N₁ = 1000 vòng, cuộn thứ cấp N₂ = 100 vòng. Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp là U₁ = 220 V. Tính điện áp ở cuộn thứ cấp U₂.
Bạn áp dụng công thức U₂ = U₁ · N₂ / N₁. Thay số: U₂ = 220 × 100 / 1000 = 220 × 0,1 = 22 V. Vậy điện áp ở cuộn thứ cấp bằng 22 V. Bạn hãy đối chiếu với ví dụ 1: ở ví dụ này, N₂ chỉ bằng 1/10 của N₁ nên U₂ cũng chỉ bằng 1/10 của U₁ — đây là máy hạ áp. Trong thực tế, cục sạc điện thoại của bạn cũng là một máy hạ áp, nó hạ điện áp từ 220 V xuống 5 V — tỉ số hạ áp còn lớn hơn nhiều so với ví dụ này. Bạn hãy để ý: công thức tính U₂ là như nhau cho cả máy tăng áp và máy hạ áp, bạn không cần nhớ hai công thức riêng — chỉ cần nhớ U₁ / U₂ = N₁ / N₂ là đủ.
Ví dụ 3 (tính cường độ dòng điện): Một máy biến áp lí tưởng có điện áp sơ cấp U₁ = 220 V, điện áp thứ cấp U₂ = 2200 V. Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp là I₁ = 2 A. Tính cường độ dòng điện qua cuộn thứ cấp I₂ và công suất truyền tải.
Bước đầu tiên, bạn tính công suất đưa vào cuộn sơ cấp: P₁ = U₁ · I₁ = 220 × 2 = 440 W. Vì máy biến áp là lí tưởng nên công suất ở cuộn thứ cấp bằng công suất ở cuộn sơ cấp: P₂ = P₁ = 440 W. Bước thứ hai, bạn tính cường độ dòng điện qua cuộn thứ cấp: I₂ = P₂ / U₂ = 440 / 2200 = 0,2 A. Vậy cường độ dòng điện qua cuộn thứ cấp bằng 0,2 A. Bạn kiểm chứng bằng công thức tỉ số dòng điện: I₂ / I₁ = N₁ / N₂ = U₁ / U₂ = 220 / 2200 = 0,1, suy ra I₂ = 2 × 0,1 = 0,2 A — khớp với kết quả vừa tính. Bạn hãy để ý: điện áp tăng 10 lần thì dòng điện giảm 10 lần, công suất vẫn giữ nguyên 440 W. Đây chính là nguyên tắc truyền tải điện đi xa: tăng điện áp để giảm dòng điện, nhờ đó giảm hao phí tỏa nhiệt trên đường dây.
Ví dụ 4 (thiết kế máy biến áp): Người ta muốn chế tạo một máy biến áp hạ áp để biến đổi điện áp từ U₁ = 220 V xuống U₂ = 110 V. Cuộn sơ cấp có N₁ = 440 vòng. Hỏi cuộn thứ cấp cần có bao nhiêu vòng dây?
Bạn áp dụng công thức U₁ / U₂ = N₁ / N₂, suy ra N₂ = N₁ · U₂ / U₁. Thay số: N₂ = 440 × 110 / 220 = 440 × 0,5 = 220 vòng. Vậy cuộn thứ cấp cần có 220 vòng dây. Bạn kiểm tra lại: tỉ số N₂ / N₁ = 220 / 440 = 0,5, tỉ số U₂ / U₁ = 110 / 220 = 0,5 — hai tỉ số bằng nhau, đúng với công thức. Bạn hãy để ý: đây là bài toán thiết kế — thay vì cho số vòng dây để tính điện áp, đề bài cho điện áp để tính số vòng dây. Trong thực tế, kĩ sư thiết kế máy biến áp cũng làm như vậy: họ xác định điện áp cần biến đổi trước, rồi tính ra số vòng dây cần quấn cho mỗi cuộn.
Năm lỗi sai thường gặp — và cách tránh
Lỗi 1: Nhầm tỉ số dòng điện với tỉ số điện áp.
Nhiều bạn viết I₂ / I₁ = N₂ / N₁ giống như tỉ số điện áp. Cách tránh: bạn hãy nhớ tỉ số dòng điện là tỉ số NGHỊCH ĐẢO của tỉ số điện áp: I₂ / I₁ = N₁ / N₂. Điện áp tăng bao nhiêu lần thì dòng điện giảm bấy nhiêu lần — hai tỉ số này ngược nhau vì công suất được bảo toàn.
Lỗi 2: Cho rằng máy biến áp làm việc với dòng điện một chiều.
Nhiều bạn nghĩ máy biến áp biến đổi được cả điện áp một chiều. Cách tránh: bạn hãy nhớ máy biến áp chỉ làm việc với dòng điện xoay chiều, vì chỉ dòng xoay chiều mới tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt. Nếu đưa dòng một chiều vào cuộn sơ cấp, từ thông sẽ không đổi, không sinh ra suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp, và cuộn sơ cấp sẽ nóng lên như một điện trở thuần.
Lỗi 3: Quên điều kiện máy biến áp lí tưởng.
Nhiều bạn áp dụng công thức U₁ · I₁ = U₂ · I₂ cho mọi máy biến áp, kể cả máy có hao phí. Cách tránh: bạn hãy nhớ công thức này chỉ đúng với máy biến áp lí tưởng. Với máy biến áp thực tế, công suất ra luôn nhỏ hơn công suất vào vì có hao phí tỏa nhiệt trên các cuộn dây và hao phí do dòng điện Fu-cô trong lõi sắt — hiệu suất của máy biến áp thực tế thường khoảng 90% đến 98%.
Lỗi 4: Nhầm cuộn sơ cấp với cuộn thứ cấp.
Nhiều bạn lấy N₁ là số vòng của cuộn nối với tải tiêu thụ. Cách tránh: bạn hãy nhớ cuộn sơ cấp là cuộn nối với NGUỒN điện (điện áp vào U₁), còn cuộn thứ cấp là cuộn nối với TẢI tiêu thụ (điện áp ra U₂). Khi đọc đề bài, bạn hãy xác định cuộn nào nối với nguồn trước, rồi mới áp dụng công thức.
Lỗi 5: Cho rằng máy biến áp làm tăng công suất.
Nhiều bạn thấy máy tăng áp biến 220 V thành 2200 V thì kết luận công suất cũng tăng lên 10 lần. Cách tránh: bạn hãy nhớ máy biến áp không sinh ra công suất — nó chỉ biến đổi điện áp và cường độ dòng điện theo chiều ngược nhau để giữ công suất không đổi (với máy lí tưởng). Muốn tăng công suất, bạn phải tăng công suất của nguồn phát, không thể dùng máy biến áp để "tạo thêm" điện năng.
Năm bài tập tự luyện
Hãy làm 5 bài tập sau đây rồi đối chiếu với bảng đáp án bên dưới. Nhớ tỉ số dòng điện là tỉ số nghịch đảo của tỉ số điện áp.
Câu 1: Một máy biến áp lí tưởng có số vòng dây cuộn thứ cấp gấp đôi số vòng dây cuộn sơ cấp (N₂ = 2N₁). Điện áp ở cuộn thứ cấp U₂ bằng bao nhiêu lần điện áp ở cuộn sơ cấp U₁?
A. U₁ / 2
B. 2U₁
C. U₁
D. 4U₁
Câu 2: Một máy biến áp có cuộn sơ cấp N₁ = 200 vòng, cuộn thứ cấp N₂ = 2000 vòng. Điện áp đặt vào cuộn sơ cấp là U₁ = 220 V. Điện áp ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu?
A. 22 V
B. 220 V
C. 2200 V
D. 22000 V
Câu 3: Máy tăng áp là máy biến áp có đặc điểm nào sau đây?
A. Số vòng dây cuộn thứ cấp lớn hơn số vòng dây cuộn sơ cấp (N₂ > N₁)
B. Số vòng dây cuộn thứ cấp nhỏ hơn số vòng dây cuộn sơ cấp (N₂ < N₁)
C. Số vòng dây hai cuộn bằng nhau (N₂ = N₁)
D. Không có cuộn thứ cấp
Câu 4: Một máy biến áp lí tưởng có điện áp sơ cấp U₁ = 220 V, điện áp thứ cấp U₂ = 110 V. Cường độ dòng điện qua cuộn sơ cấp là I₁ = 1 A. Cường độ dòng điện qua cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu?
A. 0,5 A
B. 1 A
C. 2 A
D. 4 A
Câu 5: Vì sao khi truyền tải điện năng đi xa, người ta dùng máy biến áp tăng áp để tăng điện áp lên rất cao?
A. Để giảm hao phí tỏa nhiệt trên đường dây (hao phí tỉ lệ nghịch với bình phương điện áp)
B. Để tăng công suất của nhà máy phát điện
C. Để giảm tần số của dòng điện
D. Để tăng điện trở của đường dây
| Câu | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Đáp án | B | C | A | C | A |
Giải thích Câu 1 — Đáp án B đúng: Theo công thức U₁ / U₂ = N₁ / N₂, với N₂ = 2N₁ thì U₂ = U₁ · N₂ / N₁ = 2U₁. Đáp án A sai vì U₁ / 2 là kết quả khi N₂ = N₁ / 2. Đáp án C sai vì U₂ = U₁ chỉ xảy ra khi N₂ = N₁. Đáp án D sai vì U₂ = 4U₁ chỉ xảy ra khi N₂ = 4N₁.
Giải thích Câu 2 — Đáp án C đúng: U₂ = U₁ · N₂ / N₁ = 220 × 2000 / 200 = 2200 V. Đáp án A sai vì 22 V là kết quả khi lấy 220 × 200 / 2000. Đáp án B sai vì 220 V là điện áp sơ cấp, chưa biến đổi. Đáp án D sai vì 22000 V là kết quả khi lấy 220 × 20000 / 200.
Giải thích Câu 3 — Đáp án A đúng: Máy tăng áp có cuộn thứ cấp nhiều vòng dây hơn cuộn sơ cấp (N₂ > N₁) nên điện áp ra lớn hơn điện áp vào. Đáp án B sai vì N₂ < N₁ là đặc điểm của máy hạ áp. Đáp án C sai vì N₂ = N₁ thì điện áp ra bằng điện áp vào, máy biến áp không có tác dụng biến đổi điện áp. Đáp án D sai vì máy biến áp luôn có cả hai cuộn dây.
Giải thích Câu 4 — Đáp án C đúng: Với máy biến áp lí tưởng, công suất được bảo toàn: P₁ = P₂, tức là U₁ · I₁ = U₂ · I₂. Suy ra I₂ = U₁ · I₁ / U₂ = 220 × 1 / 110 = 2 A. Đáp án A sai vì 0,5 A là kết quả khi lấy I₁ · U₂ / U₁. Đáp án B sai vì I₂ = I₁ chỉ xảy ra khi U₂ = U₁. Đáp án D sai vì 4 A là kết quả khi lấy I₁ · (U₁ / U₂)².
Giải thích Câu 5 — Đáp án A đúng: Hao phí tỏa nhiệt trên đường dây là P_hp = R · I², mà với cùng một công suất truyền tải P = U · I thì I = P / U, nên P_hp = R · P² / U² — hao phí tỉ lệ nghịch với bình phương của điện áp. Tăng điện áp lên 10 lần thì hao phí giảm đi 100 lần. Đáp án B sai vì máy biến áp không làm tăng công suất của nhà máy phát điện. Đáp án C sai vì máy biến áp không làm thay đổi tần số của dòng điện. Đáp án D sai vì tăng điện trở đường dây sẽ làm tăng hao phí, không phải giảm.
Câu hỏi thường gặp về máy biến áp
Hỏi: Máy biến áp có làm việc với dòng điện một chiều không?
Đáp: Không. Máy biến áp chỉ làm việc với dòng điện xoay chiều, vì chỉ dòng xoay chiều mới tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt, mà từ thông biến thiên mới sinh ra suất điện động cảm ứng ở cuộn thứ cấp. Dòng một chiều tạo ra từ thông không đổi nên không sinh ra suất điện động cảm ứng.
Hỏi: Máy biến áp có làm tăng công suất không?
Đáp: Không. Máy biến áp lí tưởng bảo toàn công suất: công suất ra bằng công suất vào. Khi điện áp tăng lên bao nhiêu lần thì cường độ dòng điện giảm đi bấy nhiêu lần. Máy biến áp chỉ biến đổi điện áp và dòng điện, không sinh thêm điện năng.
Hỏi: Vì sao lõi sắt của máy biến áp được làm bằng các lá sắt mỏng ghép lại?
Đáp: Để giảm hao phí do dòng điện Fu-cô. Từ trường biến thiên trong lõi sắt sinh ra dòng điện Fu-cô làm nóng lõi sắt và gây hao phí. Lõi sắt làm bằng các lá mỏng cách điện với nhau sẽ làm dòng điện Fu-cô chỉ chạy trong từng lá mỏng, giảm hao phí đáng kể so với lõi sắt đặc.
Hỏi: Máy biến áp trong cục sạc điện thoại hoạt động như thế nào?
Đáp: Cục sạc điện thoại chứa một máy biến áp hạ áp (kết hợp với mạch chỉnh lưu) để biến đổi điện áp xoay chiều 220 V từ ổ điện thành điện áp một chiều khoảng 5 V để sạc pin. Máy biến áp hạ điện áp xuống, mạch chỉnh lưu biến dòng xoay chiều thành dòng một chiều, và mạch ổn áp giữ điện áp ra ổn định ở 5 V.
Hỏi: Học máy biến áp để làm gì trong các bài sau?
Đáp: Máy biến áp là ứng dụng quan trọng nhất của hiện tượng cảm ứng điện từ trong đời sống. Hiểu được máy biến áp, bạn sẽ hiểu được toàn bộ hệ thống truyền tải điện năng: từ nhà máy phát điện, qua đường dây cao thế, qua trạm biến áp khu phố, đến ổ điện trong nhà bạn. Nếu muốn ôn lại định luật Ôm, bạn hãy xem bài định luật Ôm.
Kết luận
Máy biến áp chỉ gói gọn trong một công thức: U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = I₂ / I₁, với điều kiện là máy biến áp lí tưởng và dòng điện xoay chiều. Bạn hãy nhớ ba điều: tỉ số điện áp bằng tỉ số số vòng dây, còn tỉ số dòng điện là tỉ số nghịch đảo; máy biến áp chỉ làm việc với dòng xoay chiều; và máy biến áp không sinh ra công suất — nó chỉ biến đổi điện áp để truyền tải điện năng đi xa với hao phí nhỏ nhất. Làm xong 5 bài tập ở trên, bạn đã đủ tự tin để tính toán mọi bài toán về máy biến áp, và đã hoàn thành chương cảm ứng điện từ của Vật lí 12.