LÝ THUYẾT TRỌNG TÂM

I. MÁY BIẾN ÁP

1. Khái niệm

Máy biến áp là thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều mà hầu như không làm thay đổi tần số của nó.

Chức năng chính:

• Tăng điện áp (máy tăng áp)
• Giảm điện áp (máy hạ áp)

2. Cấu tạo của máy biến áp

Máy biến áp gồm 3 bộ phận chính:

Mô tả cấu tạo (Hình 18.1):

Đặc điểm của lõi biến áp:

• Lõi kín (không có khe hở không khí)
• Ghép từ các lá thép mỏng cách điện với nhau
• Mục đích: Giảm tổn hao năng lượng do dòng điện Foucault

3. Nguyên tắc hoạt động

Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Quá trình hoạt động:

Bước 1: Đặt điện áp xoay chiều $u_1$ có tần số $f$ vào hai đầu cuộn sơ cấp

Bước 2: Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lõi sắt

Bước 3: Do lõi kín, từ thông biến thiên này đi qua cả hai cuộn dây

Bước 4: Theo định luật Faraday, từ thông biến thiên sinh ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp

Bước 5: Xuất hiện điện áp $u_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp

4. Chứng minh công thức máy biến áp

Giả thiết: Máy biến áp lí tưởng (bỏ qua mọi tổn hao)

Bước 1: Gọi từ thông qua mỗi vòng dây là:

$$\Phi = \Phi_0 \cos(\omega t)$$

Bước 2: Từ thông qua cuộn sơ cấp và thứ cấp:

$$\Phi_1 = N_1 \Phi = N_1 \Phi_0 \cos(\omega t)$$

$$\Phi_2 = N_2 \Phi = N_2 \Phi_0 \cos(\omega t)$$

Bước 3: Áp dụng định luật Faraday, suất điện động cảm ứng:

$$e_1 = -\frac{d\Phi_1}{dt} = N_1 \omega \Phi_0 \sin(\omega t)$$

$$e_2 = -\frac{d\Phi_2}{dt} = N_2 \omega \Phi_0 \sin(\omega t)$$

Bước 4: Lập tỉ số:

$$\frac{e_1}{e_2} = \frac{N_1}{N_2}$$

Bước 5: Với máy biến áp lí tưởng, điện áp hiệu dụng bằng suất điện động hiệu dụng:

$$U_1 \approx E_1 \quad \text{và} \quad U_2 \approx E_2$$

Kết luận:

$$\boxed{\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}}$$

5. Các công thức của máy biến áp

a) Công thức điện áp:

$$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2} = k$$

Trong đó: $k = \frac{N_1}{N_2}$ gọi là tỉ số biến áp (hay hệ số biến áp)

b) Công thức dòng điện (máy lí tưởng):

Với máy biến áp lí tưởng, công suất vào bằng công suất ra:

$$P_1 = P_2 \Rightarrow U_1 I_1 = U_2 I_2$$

$$\Rightarrow \boxed{\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} = \frac{1}{k}}$$

c) Phân loại máy biến áp:

6. Hiệu suất máy biến áp

$$\boxed{H = \frac{P_2}{P_1} \times 100\% = \frac{U_2 I_2}{U_1 I_1} \times 100\%}$$

Nguyên nhân gây tổn hao năng lượng trong máy biến áp:

Lưu ý: Máy biến áp thực tế có hiệu suất rất cao, thường đạt 95% – 99%.

7. Ứng dụng của máy biến áp

a) Truyền tải điện năng đi xa

Khi truyền tải điện năng công suất $P$ trên đường dây có điện trở $R$:

• Công suất hao phí: $P_{hp} = I^2 R = \frac{P^2 R}{U^2}$
• Để giảm hao phí, cần tăng điện áp U
• Quy trình: Nhà máy → Máy tăng áp → Đường dây → Máy hạ áp → Hộ tiêu thụ

b) Các ứng dụng khác

II. SẠC ĐIỆN THOẠI KHÔNG DÂY

1. Nguyên tắc hoạt động

Sạc điện thoại không dây hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ như máy biến áp.

2. Cấu tạo

Mô tả (Hình 18.2 và 18.3):

3. Quá trình hoạt động

1. Dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây trong đế sạc
2. Tạo ra từ trường biến thiên
3. Khi đặt điện thoại lên đế sạc, hai cuộn dây nằm gần nhau
4. Từ thông biến thiên qua cuộn dây trong điện thoại
5. Sinh ra suất điện động cảm ứng trong cuộn dây điện thoại
6. Dòng điện cảm ứng được chỉnh lưu để sạc pin

III. ĐÀN GHI TA ĐIỆN

1. Đặc điểm cấu tạo

2. Cấu tạo cuộn dây cảm ứng (Pickup)

Mỗi cuộn dây cảm ứng gồm:

Sơ đồ cấu tạo (Hình 18.4b):

3. Nguyên tắc hoạt động

Bước 1: Nhiễm từ dây đàn

• Nam châm vĩnh cửu (1) trong cuộn cảm ứng tạo ra từ trường
• Dây đàn bằng thép nằm trong từ trường bị nhiễm từ
• Đoạn dây đàn trở thành một nam châm nhỏ (có cực S và N)

Bước 2: Tạo từ thông biến thiên

• Khi gảy dây đàn, dây đàn dao động
• Đoạn dây đàn (đã nhiễm từ) dao động → từ trường biến thiên
• Từ thông qua cuộn dây (2) biến thiên

Bước 3: Sinh dòng điện cảm ứng

• Theo định luật Faraday: từ thông biến thiên → suất điện động cảm ứng
• Trong cuộn dây xuất hiện dòng điện cảm ứng

Bước 4: Chuyển đổi và khuếch đại

• Tín hiệu điện được đưa đến bộ khuếch đại (amplifier)
• Sau đó phát ra loa
• Tần số dao động của dây → độ cao của âm
• Biên độ dao động của dây → độ to của âm

IV. MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHÁC

1. Hãm phanh điện từ

2. Dynamo xe đạp

• Khi bánh xe quay → nam châm trong dynamo quay
• Từ thông qua cuộn dây biến thiên
• Sinh ra dòng điện cảm ứng → thắp sáng đèn

3. Bếp từ

• Cuộn dây trong bếp tạo từ trường biến thiên tần số cao
• Sinh ra dòng Foucault trong đáy nồi kim loại
• Dòng Foucault tỏa nhiệt → nấu chín thức ăn

PHƯƠNG PHÁP GIẢI CÁC DẠNG BÀI

DẠNG 1: Tính điện áp, số vòng dây trong máy biến áp

Công thức sử dụng:

$$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}$$

Ví dụ mẫu 1:

Câu hỏi: Một máy biến áp lí tưởng có $N_1 = 5000$ vòng, $N_2 = 250$ vòng. Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là $U_1 = 110$ V. Tính điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp.

Lời giải:

Áp dụng công thức máy biến áp:

$$\frac{U_1}{U_2} = \frac{N_1}{N_2}$$

$$\Rightarrow U_2 = U_1 \cdot \frac{N_2}{N_1} = 110 \cdot \frac{250}{5000} = 110 \cdot 0,05 = 5,5 \text{ V}$$

Đáp án: $U_2 = 5,5$ V

Ví dụ mẫu 2:

Câu hỏi: Một học sinh quấn máy biến áp với số vòng dây cuộn thứ cấp gấp đôi số vòng dây cuộn sơ cấp. Khi đặt điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng $U$ vào cuộn sơ cấp thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp để hở là $1,9U$. Kiểm tra phát hiện trong cuộn thứ cấp có 50 vòng bị quấn ngược chiều. Tính tổng số vòng dây đã được quấn.

Lời giải:

Bước 1: Gọi số vòng dây cuộn sơ cấp là $N_1$

Theo đề bài, số vòng cuộn thứ cấp đã quấn là $2N_1$

Bước 2: Phân tích vòng quấn ngược

Trong $2N_1$ vòng có 50 vòng quấn ngược chiều.

Số vòng hiệu dụng của cuộn thứ cấp: $$N_2′ = (2N_1 – 50) – 50 = 2N_1 – 100$$

(Vì 50 vòng ngược triệt tiêu 50 vòng thuận)

Bước 3: Áp dụng công thức

$$\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2′}{N_1}$$

$$\frac{1,9U}{U} = \frac{2N_1 – 100}{N_1}$$

$$1,9 = 2 – \frac{100}{N_1}$$

$$\frac{100}{N_1} = 0,1 \Rightarrow N_1 = 1000 \text{ vòng}$$

Bước 4: Tổng số vòng dây

$$N = N_1 + 2N_1 = 3N_1 = 3 \times 1000 = 3000 \text{ vòng}$$

Đáp án: 3000 vòng

DẠNG 2: Tính cường độ dòng điện trong máy biến áp

Công thức sử dụng:

$$\frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1} = \frac{U_2}{U_1}$$

Ví dụ mẫu:

Câu hỏi: Một máy biến áp có $N_1 = 1000$ vòng, $N_2 = 50$ vòng. Điện áp và dòng điện ở cuộn sơ cấp là $U_1 = 220$ V, $I_1 = 0,5$ A. Tính điện áp và dòng điện ở cuộn thứ cấp (coi máy lí tưởng).

Lời giải:

Tính điện áp: $$U_2 = U_1 \cdot \frac{N_2}{N_1} = 220 \cdot \frac{50}{1000} = 11 \text{ V}$$

Tính dòng điện: $$I_2 = I_1 \cdot \frac{N_1}{N_2} = 0,5 \cdot \frac{1000}{50} = 10 \text{ A}$$

Đáp án: $U_2 = 11$ V; $I_2 = 10$ A

DẠNG 3: Bài toán truyền tải điện năng

Các công thức cần nhớ:

Ví dụ mẫu 1:

Câu hỏi: Điện năng được tải từ máy phát đến nơi tiêu thụ bằng đường dây có điện trở $R = 50$ Ω. Điện áp ở cuộn sơ cấp và thứ cấp của máy hạ thế lần lượt là $U_1 = 2000$ V, $U_2 = 200$ V. Cường độ dòng điện trong cuộn thứ cấp máy hạ thế $I_2 = 200$ A. Tính hiệu suất truyền tải điện.

Lời giải:

Bước 1: Dòng điện trên đường dây

Dòng trên đường dây bằng dòng vào cuộn sơ cấp máy hạ thế:

$$I_1 = I_2 \cdot \frac{U_2}{U_1} = 200 \cdot \frac{200}{2000} = 20 \text{ A}$$

Bước 2: Công suất hao phí trên đường dây

$$P_{hp} = I_1^2 \cdot R = 20^2 \times 50 = 20000 \text{ W} = 20 \text{ kW}$$

Bước 3: Đây là chỗ lời giải gốc bị sai

Lời giải gốc lấy $P = U_1 I_1 = 40$ kW rồi tính $H = 50%$. Điều này sai về mặt vật lý, vì:

• $U_1 \cdot I_1 = 40$ kW là công suất đến nơi tiêu thụ (công suất đầu vào máy hạ thế), tức là công suất đã trừ hao phí rồi.
• Hiệu suất truyền tải là tỉ số giữa công suất nơi tiêu thụ nhận được và công suất máy phát gửi đi.

Gọi $P_{phát}$ là công suất máy phát truyền đi:

$$P_{phát} = P_{tiêu thụ} + P_{hp} = U_1 I_1 + P_{hp} = 40 + 20 = 60 \text{ kW}$$

Bước 4: Tính hiệu suất

$$H = \frac{P_{phát} – P_{hp}}{P_{phát}} = \frac{P_{tiêu thụ}}{P_{phát}} = \frac{40}{60} \times 100% \approx 66,7%$$

Ví dụ mẫu 2:

Câu hỏi: Điện năng được truyền đi với công suất $P$ trên đường dây tải điện với điện áp $U$, hiệu suất là 90%. Nếu giữ nguyên điện áp nhưng giảm công suất truyền tải đi 2 lần thì hiệu suất truyền tải là bao nhiêu?

Lời giải:

Bước 1: Công suất hao phí ban đầu

$$H_1 = 90\% \Rightarrow P_{hp1} = 10\% \cdot P = 0,1P$$

Mà $P_{hp} = \frac{P^2 R}{U^2}$

$$\Rightarrow 0,1P = \frac{P^2 R}{U^2} \Rightarrow \frac{PR}{U^2} = 0,1$$

Bước 2: Khi giảm công suất đi 2 lần ($P’ = P/2$)

$$P_{hp2} = \frac{P’^2 R}{U^2} = \frac{(P/2)^2 R}{U^2} = \frac{1}{4} \cdot \frac{P^2 R}{U^2} = \frac{1}{4} \cdot 0,1P = 0,025P$$

Bước 3: Tính hiệu suất mới

$$H_2 = \frac{P’ – P_{hp2}}{P’} = \frac{P/2 – 0,025P}{P/2} = \frac{0,5P – 0,025P}{0,5P} = \frac{0,475P}{0,5P} = 0,95 = 95\%$$

Đáp án: H = 95%

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn