I. GIỚI THIỆU VỀ MÁY BIẾN THẾ

1. Máy biến thế là gì?

Định nghĩa: Máy biến thế (hay máy biến áp) là thiết bị điện dùng để biến đổi điện áp xoay chiều này thành điện áp xoay chiều khác (có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn) dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Tên gọi:

• Máy biến thế (tiếng Việt)
• Máy biến áp (tiếng Việt)
• Transformer (tiếng Anh)

Nguyên tắc hoạt động: Máy biến thế hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Khi có dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn sơ cấp, nó tạo ra từ trường biến thiên trong lõi sắt. Từ trường này gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp, tạo ra điện áp ở đầu ra.

Lưu ý quan trọng: Máy biến thế chỉ hoạt động với dòng điện xoay chiều, không hoạt động với dòng điện một chiều vì dòng một chiều không tạo ra từ trường biến thiên.

2. Cấu tạo máy biến thế

Máy biến thế gồm ba bộ phận chính:

Chi tiết:

• Cuộn sơ cấp: Có $n_1$ vòng dây, điện áp $U_1$, dòng điện $I_1$
• Cuộn thứ cấp: Có $n_2$ vòng dây, điện áp $U_2$, dòng điện $I_2$
• Lõi sắt: Làm bằng sắt non (sắt có từ tính cao), được ghép từ nhiều lá mỏng cách điện để giảm dòng điện Foucault

3. Phân loại máy biến thế

Dựa vào chức năng biến đổi điện áp, máy biến thế được chia thành hai loại:

Máy tăng thế (Máy biến áp tăng):

• Điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp: $U_2 > U_1$
• Số vòng dây thứ cấp nhiều hơn sơ cấp: $n_2 > n_1$
• Ứng dụng: Truyền tải điện năng đi xa

Máy hạ thế (Máy biến áp giảm):

• Điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp: $U_2 < U_1$
• Số vòng dây thứ cấp ít hơn sơ cấp: $n_2 < n_1$
• Ứng dụng: Cung cấp điện cho gia đình, thiết bị điện tử

II. CÔNG THỨC MÁY BIẾN THẾ LÝ TƯỞNG

1. Định nghĩa máy biến thế lý tưởng

Máy biến thế lý tưởng là mô hình lý thuyết của máy biến thế thỏa mãn các điều kiện sau:

✓ Không có hao phí năng lượng do điện trở cuộn dây, dòng điện Foucault, từ trễ ✓ Công suất vào bằng công suất ra: $\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2$ ✓ Điện trở cuộn dây không đáng kể (coi như bằng 0) ✓ Toàn bộ từ thông qua cuộn sơ cấp đều qua cuộn thứ cấp (không có từ thông tản)

Lưu ý: Trong thực tế không có máy biến thế lý tưởng tuyệt đối, nhưng các máy biến thế hiện đại có hiệu suất rất cao (95-99%), gần với lý tưởng.

2. Công thức tỉ số vòng dây và điện áp

Đây là công thức cơ bản và quan trọng nhất của máy biến thế.

📌 Công thức:

$$\boxed{\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}}$$

Hoặc viết dưới dạng:

$$\frac{U_2}{U_1} = \frac{n_2}{n_1}$$

Trong đó:

• $U_1$: Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp (V)
• $U_2$: Điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp (V)
• $n_1$: Số vòng dây của cuộn sơ cấp
• $n_2$: Số vòng dây của cuộn thứ cấp

Ý nghĩa vật lý:

• Tỉ số điện áp bằng tỉ số số vòng dây
• Muốn tăng điện áp → tăng số vòng dây cuộn thứ cấp
• Muốn giảm điện áp → giảm số vòng dây cuộn thứ cấp

Công thức suy ra:

Từ công thức trên, ta có thể tính:

$$U_2 = U_1 \cdot \frac{n_2}{n_1}$$

$$U_1 = U_2 \cdot \frac{n_1}{n_2}$$

$$n_2 = n_1 \cdot \frac{U_2}{U_1}$$

$$n_1 = n_2 \cdot \frac{U_1}{U_2}$$

3. Công thức tỉ số dòng điện

Nguyên lý bảo toàn năng lượng:

Do máy biến thế lý tưởng không có hao phí, công suất vào bằng công suất ra:

$$\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2$$

Mà công suất điện: $\mathcal{P} = UI$

Nên: $$U_1I_1 = U_2I_2$$

Suy ra:

$$\boxed{\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1} = \frac{n_2}{n_1}}$$

Hoặc:

$$\frac{I_2}{I_1} = \frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}$$

⚠️ LƯU Ý QUAN TRỌNG:

Tỉ số dòng điện NGƯỢC với tỉ số điện áp!

• Khi điện áp tăng ($U_2 > U_1$) → dòng điện giảm ($I_2 < I_1$)
• Khi điện áp giảm ($U_2 < U_1$) → dòng điện tăng ($I_2 > I_1$)

Công thức suy ra:

$$I_2 = I_1 \cdot \frac{U_1}{U_2} = I_1 \cdot \frac{n_1}{n_2}$$

$$I_1 = I_2 \cdot \frac{U_2}{U_1} = I_2 \cdot \frac{n_2}{n_1}$$

4. Công thức tổng hợp

Công thức quan trọng nhất – CẦN HỌC THUỘC:

$$\boxed{\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} = \frac{I_2}{I_1}}$$

Đây là công thức tổng hợp đầy đủ của máy biến thế lý tưởng.

Cách nhớ:

• Tỉ số điện áp ($U$) cùng phía với tỉ số vòng dây ($n$): $\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}$
• Tỉ số dòng điện ($I$) đối phía (ngược lại): $\frac{I_2}{I_1}$

Sơ đồ nhớ:

Sơ cấp (1):    U₁  -  n₁  -  I₁
                ↓      ↓      ↑
Thứ cấp (2):   U₂  -  n₂  -  I₂

Mũi tên xuống: cùng chiều (U và n)
Mũi tên lên: ngược chiều (I)

5. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Tính điện áp thứ cấp

Máy biến thế có số vòng dây cuộn sơ cấp $n_1 = 500$ vòng, cuộn thứ cấp $n_2 = 1000$ vòng. Điện áp sơ cấp $U_1 = 110V$. Tính điện áp thứ cấp $U_2$ và cho biết đây là máy tăng thế hay hạ thế?

Lời giải:

Áp dụng công thức: $$\frac{U_2}{U_1} = \frac{n_2}{n_1}$$

$$U_2 = U_1 \cdot \frac{n_2}{n_1} = 110 \times \frac{1000}{500} = 110 \times 2 = 220V$$

Nhận xét:

• $U_2 = 220V > U_1 = 110V$
• $n_2 = 1000 > n_1 = 500$
• Đây là máy tăng thế ✓

Ví dụ 2: Tính dòng điện sơ cấp

Máy biến thế lý tưởng có điện áp sơ cấp $U_1 = 220V$, điện áp thứ cấp $U_2 = 12V$, dòng điện thứ cấp $I_2 = 5A$. Tính dòng điện sơ cấp $I_1$?

Lời giải:

Cách 1: Dùng công thức tỉ số dòng điện $$\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1}$$

$$I_1 = I_2 \cdot \frac{U_2}{U_1} = 5 \times \frac{12}{220} = \frac{60}{220} = \frac{3}{11} \approx 0.27A$$

Cách 2: Dùng công suất $$\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2$$ $$U_1 I_1 = U_2 I_2$$ $$I_1 = \frac{U_2 I_2}{U_1} = \frac{12 \times 5}{220} = \frac{60}{220} \approx 0.27A$$

Kết luận: $I_1 \approx 0.27A$

Kiểm tra:

• $U_2 = 12V < U_1 = 220V$ → Máy hạ thế
• $I_2 = 5A > I_1 = 0.27A$ → Dòng tăng khi áp giảm ✓

III. PHÂN LOẠI MÁY BIẾN THẾ

1. Máy tăng thế

Định nghĩa: Máy tăng thế là máy biến thế có điện áp thứ cấp lớn hơn điện áp sơ cấp.

Điều kiện: $$U_2 > U_1$$

Hệ quả: $$\frac{n_2}{n_1} > 1 \quad \Rightarrow \quad n_2 > n_1$$

Đặc điểm:

• Số vòng dây thứ cấp nhiều hơn sơ cấp: $n_2 > n_1$
• Điện áp tăng: $U_2 > U_1$
• Dòng điện giảm: $I_2 < I_1$ (do bảo toàn năng lượng)

Ứng dụng chính:

1. Truyền tải điện năng đi xa:

• Từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ
• Tăng điện áp lên hàng trăm kV (110kV, 220kV, 500kV)
• Mục đích: Giảm hao phí trên đường dây

Nguyên lý giảm hao phí:

Hao phí trên đường dây: $\Delta P = I^2R$

Khi tăng điện áp $U$ → Dòng điện $I = \frac{P}{U}$ giảm → Hao phí $\Delta P = I^2R$ giảm mạnh (theo bình phương)

Ví dụ thực tế:

• Nhà máy thủy điện Hòa Bình phát điện 10kV
• Máy tăng thế lên 500kV để truyền tải đi xa
• Giảm hao phí từ 90% xuống còn dưới 10%

2. Ứng dụng khác:

• Lò vi sóng (tăng lên vài nghìn Volt)
• Đèn neon (cần điện áp cao để phát sáng)
• Thiết bị y tế (máy X-quang)

2. Máy hạ thế

Định nghĩa: Máy hạ thế là máy biến thế có điện áp thứ cấp nhỏ hơn điện áp sơ cấp.

Điều kiện: $$U_2 < U_1$$

Hệ quả: $$\frac{n_2}{n_1} < 1 \quad \Rightarrow \quad n_2 < n_1$$

Đặc điểm:

• Số vòng dây thứ cấp ít hơn sơ cấp: $n_2 < n_1$
• Điện áp giảm: $U_2 < U_1$
• Dòng điện tăng: $I_2 > I_1$ (do bảo toàn năng lượng)

Ứng dụng chính:

1. Cung cấp điện cho gia đình:

• Hạ điện áp từ lưới trung thế (22kV) xuống 220V
• Trạm biến áp trong khu dân cư

2. Thiết bị điện tử:

• Adapter sạc điện thoại: 220V → 5V
• Nguồn máy tính: 220V → 12V, 5V, 3.3V
• Sạc laptop: 220V → 19V

3. Công nghiệp:

• Máy hàn điện: Hạ áp, tăng dòng để tạo nhiệt độ cao
• Chuông cửa: 220V → 12V hoặc 24V
• Hệ thống chiếu sáng an toàn: 220V → 12V

Ví dụ thực tế:

• Adapter iPhone: 220V → 5V (1A)
• Sạc laptop: 220V → 19V (3.42A)
• Trạm biến áp khu phố: 22kV → 220V

3. So sánh máy tăng thế và hạ thế

Quy luật chung:

• Tăng điện áp → Giảm dòng điện
• Giảm điện áp → Tăng dòng điện
• Công suất không đổi (máy lý tưởng): $P_1 = P_2$

IV. CÔNG SUẤT VÀ HAO PHÍ

1. Công suất máy biến thế lý tưởng

Công suất vào (cuộn sơ cấp): $$\mathcal{P}_1 = U_1 I_1$$

Công suất ra (cuộn thứ cấp): $$\mathcal{P}_2 = U_2 I_2$$

Với máy biến thế lý tưởng: $$\boxed{\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2}$$ $$U_1 I_1 = U_2 I_2$$

Ý nghĩa: Năng lượng điện không bị hao phí, chỉ thay đổi dạng (điện áp cao – dòng thấp ↔ điện áp thấp – dòng cao).

Đơn vị:

• Công suất: Watt (W), kilowatt (kW), megawatt (MW)
• 1 kW = 1000 W
• 1 MW = 1000 kW = $10^6$ W

2. Hiệu suất máy biến thế thực tế

Trong thực tế, máy biến thế luôn có hao phí do:

• Điện trở cuộn dây (tỏa nhiệt theo định luật Jun-Lenxơ)
• Dòng điện Foucault trong lõi sắt
• Từ trễ (năng lượng tiêu hao khi từ hóa lõi sắt)

Công thức hiệu suất:

$$\boxed{H = \frac{\mathcal{P}_2}{\mathcal{P}_1} \times 100\%}$$

Hoặc: $$\mathcal{P}_2 = H \cdot \mathcal{P}_1$$

Trong đó:

• $H$: Hiệu suất (%)
• $\mathcal{P}_1$: Công suất vào (W)
• $\mathcal{P}_2$: Công suất ra (W)
• Hiệu suất máy biến thế thực tế: $H = 90% – 99%$

Hao phí công suất: $$\boxed{\Delta \mathcal{P} = \mathcal{P}_1 – \mathcal{P}_2}$$

Hoặc: $$\Delta \mathcal{P} = \mathcal{P}_1(1 – H)$$

Ví dụ: Máy biến thế có công suất vào $\mathcal{P}_1 = 1000W$, hiệu suất $H = 95%$

Tính công suất ra: $$\mathcal{P}_2 = H \cdot \mathcal{P}_1 = 0.95 \times 1000 = 950W$$

Tính hao phí: $$\Delta \mathcal{P} = \mathcal{P}_1 – \mathcal{P}_2 = 1000 – 950 = 50W$$

Năng lượng hao phí này chuyển thành nhiệt năng, làm nóng máy biến thế.

3. Truyền tải điện năng

Bài toán truyền tải điện năng đi xa là ứng dụng quan trọng nhất của máy biến thế.

Công suất truyền đi:

Đối với dòng điện xoay chiều có hệ số công suất $\cos\varphi$:

$$\mathcal{P} = UI\cos\varphi$$

Nếu tải thuần trở ($\cos\varphi = 1$): $$\mathcal{P} = UI$$

Hao phí trên đường dây:

Hao phí do tỏa nhiệt trên điện trở đường dây:

$$\boxed{\Delta \mathcal{P} = I^2R}$$

Trong đó:

• $I$: Dòng điện trên dây dẫn (A)
• $R$: Điện trở tổng của đường dây (Ω)

Biểu diễn theo công suất và điện áp:

Do $I = \frac{\mathcal{P}}{U\cos\varphi}$ (hoặc $I = \frac{\mathcal{P}}{U}$ nếu $\cos\varphi = 1$)

Nên: $$\boxed{\Delta \mathcal{P} = \frac{\mathcal{P}^2R}{U^2\cos^2\varphi}}$$

Hoặc với tải thuần trở: $$\Delta \mathcal{P} = \frac{\mathcal{P}^2R}{U^2}$$

Công thức này cho thấy:

• Hao phí tỉ lệ nghịch với bình phương điện áp: $\Delta P \sim \frac{1}{U^2}$
• Tăng điện áp gấp $k$ lần → Hao phí giảm $k^2$ lần

Kết luận quan trọng:

Để giảm hao phí trong truyền tải điện:

1. Tăng điện áp $U$ (hiệu quả nhất) → Dùng máy tăng thế
2. Giảm điện trở đường dây $R$ (dùng dây dẫn tốt, tiết diện lớn)
3. Tăng hệ số công suất $\cos\varphi$

Giải thích vật lý:

Khi tăng điện áp $U$ → Dòng điện $I$ giảm (do $P = UI$) → Hao phí $\Delta P = I^2R$ giảm rất mạnh (theo $I^2$)

Ví dụ thực tế:

Truyền công suất $\mathcal{P} = 1MW = 10^6W$ trên đường dây có điện trở $R = 100\Omega$.

Trường hợp 1: Điện áp truyền tải $U_1 = 10kV = 10000V$

• Dòng điện: $I_1 = \frac{10^6}{10000} = 100A$
• Hao phí: $\Delta P_1 = 100^2 \times 100 = 1000000W = 1MW$
• Hao phí 100%! (toàn bộ công suất)

Trường hợp 2: Tăng điện áp lên $U_2 = 100kV = 100000V$

• Dòng điện: $I_2 = \frac{10^6}{100000} = 10A$
• Hao phí: $\Delta P_2 = 10^2 \times 100 = 10000W = 10kW$
• Chỉ hao phí 1%

So sánh: Tăng điện áp gấp 10 lần → Hao phí giảm 100 lần!

Đây chính là lý do tại sao phải dùng máy tăng thế trong truyền tải điện năng đi xa.

V. BẢNG CÔNG THỨC TÓM TẮT

A. Công thức cơ bản

B. Phân loại máy biến thế

C. Hiệu suất và hao phí

D. Công thức suy ra

Từ tỉ số điện áp:

• $U_2 = U_1 \cdot \frac{n_2}{n_1}$
• $U_1 = U_2 \cdot \frac{n_1}{n_2}$

Từ tỉ số dòng điện:

• $I_2 = I_1 \cdot \frac{U_1}{U_2} = I_1 \cdot \frac{n_1}{n_2}$
• $I_1 = I_2 \cdot \frac{U_2}{U_1} = I_2 \cdot \frac{n_2}{n_1}$

Từ công suất:

• $I_1 = \frac{\mathcal{P}_1}{U_1}$
• $I_2 = \frac{\mathcal{P}_2}{U_2}$

VI. MẸO VÀ LƯU Ý

1. Mẹo nhớ công thức

Công thức trung tâm – HỌC THUỘC:

$$\boxed{\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} = \frac{I_2}{I_1}}$$

Cách nhớ 1: “Cùng – Cùng – Ngược”

• $U$ và $n$ cùng phía (sơ cấp với sơ cấp, thứ cấp với thứ cấp)
• $I$ ngược phía (sơ cấp với thứ cấp, ngược lại)

Cách nhớ 2: “U nhiều n nhiều, I ít”

• Cuộn nào có $U$ lớn thì có $n$ nhiều nhưng $I$ nhỏ
• Cuộn nào có $U$ nhỏ thì có $n$ ít nhưng $I$ lớn

Cách nhớ 3: Sơ đồ hình ảnh

       U₁ ↑    n₁ ↑    I₁ ↓
Tỉ lệ: ── = ── = ──
       U₂ ↑    n₂ ↑    I₂ ↓

Mũi tên cùng hướng: U và n
Mũi tên ngược hướng: I

Máy tăng thế vs Hạ thế:

• Tăng thế: “N2 lớn, U2 lớn, I2 nhỏ”
  • $n_2 > n_1$ → $U_2 > U_1$ → $I_2 < I_1$
• Hạ thế: “N2 nhỏ, U2 nhỏ, I2 lớn”
  • $n_2 < n_1$ → $U_2 < U_1$ → $I_2 > I_1$

2. Các sai lầm thường gặp

❌ SAI LẦM 1: Nhầm tỉ số dòng điện

SAI: $$\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_1}{U_2} \quad \text{(Sai!)}$$

ĐÚNG: $$\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1} \quad \text{(Ngược lại!)}$$

Nhớ: Dòng điện tỉ lệ nghịch với điện áp!

❌ SAI LẦM 2: Quên đổi đơn vị

Các đơn vị thường gặp:

• Điện áp: V, kV (1 kV = 1000 V)
• Công suất: W, kW, MW (1 kW = 1000 W, 1 MW = $10^6$ W)
• Dòng điện: A, mA (1 A = 1000 mA)

Lưu ý: Phải đổi về cùng đơn vị trước khi tính!

Ví dụ sai: $U_1 = 10kV$, $U_2 = 220V$

• Không được tính: $\frac{10}{220}$ (sai đơn vị!)
• Phải đổi: $U_1 = 10000V$ → $\frac{10000}{220}$ ✓

❌ SAI LẦM 3: Nhầm máy tăng thế/hạ thế

Phải nhớ:

• $n_2 > n_1$ → Máy tăng thế (không phải giảm!)
• $n_2 < n_1$ → Máy hạ thế (không phải tăng!)

Kiểm tra: So sánh $U_2$ với $U_1$ để xác định loại máy

❌ SAI LẦM 4: Quên điều kiện máy lý tưởng

Khi nào dùng $\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2$?

• Chỉ dùng khi đề bài nói “máy lý tưởng” hoặc “không có hao phí”
• Nếu có hiệu suất $H$, phải dùng: $\mathcal{P}_2 = H \cdot \mathcal{P}_1$

3. Kiểm tra kết quả

Sau khi giải bài, luôn kiểm tra các điều kiện sau:

Với máy lý tưởng: $$U_1I_1 = U_2I_2 \quad \text{(Công suất bằng nhau)}$$

Với máy tăng thế: $$U_2 > U_1 \quad \text{và} \quad I_2 < I_1$$ $$n_2 > n_1$$

Với máy hạ thế: $$U_2 < U_1 \quad \text{và} \quad I_2 > I_1$$ $$n_2 < n_1$$

Kiểm tra đơn vị: Kết quả có đơn vị hợp lý không?

VII. BÀI TẬP MẪU

Dạng 1: Tính điện áp, dòng điện

Đề bài: Một máy biến thế có số vòng dây cuộn sơ cấp $n_1 = 1000$ vòng, cuộn thứ cấp $n_2 = 50$ vòng. Điện áp sơ cấp $U_1 = 220V$.

a) Tính điện áp thứ cấp $U_2$
b) Đây là máy tăng thế hay hạ thế?

Lời giải:

Câu a) Áp dụng công thức: $$\frac{U_2}{U_1} = \frac{n_2}{n_1}$$

$$U_2 = U_1 \cdot \frac{n_2}{n_1} = 220 \times \frac{50}{1000} = 220 \times 0.05 = 11V$$

Câu b) So sánh:

• $U_2 = 11V < U_1 = 220V$
• $n_2 = 50 < n_1 = 1000$

Kết luận: Đây là máy hạ thế ✓

Ứng dụng: Adapter điện, nguồn điện cho thiết bị điện tử

Dạng 2: Máy biến thế lý tưởng

Đề bài: Một máy biến thế lý tưởng có điện áp sơ cấp $U_1 = 220V$, tỉ số vòng dây $\frac{n_1}{n_2} = 10$. Người ta mắc một bóng đèn ghi 12V-6W vào cuộn thứ cấp.

a) Tính điện áp thứ cấp $U_2$
b) Tính dòng điện $I_1$ và $I_2$

Lời giải:

Câu a) Tính $U_2$: $$\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} = 10$$

$$U_2 = \frac{U_1}{10} = \frac{220}{10} = 22V$$

Lưu ý: Điện áp thứ cấp 22V > điện áp định mức đèn 12V → Đèn sẽ cháy! Đây là câu hỏi bẫy thường gặp. Tuy nhiên, để tính dòng điện theo yêu cầu đề, ta giả sử đèn hoạt động bình thường.

Câu b) Tính dòng điện:

Công suất đèn: $\mathcal{P} = 6W$

Dòng điện thứ cấp: $$I_2 = \frac{\mathcal{P}}{U_2} = \frac{6}{22} = \frac{3}{11} \approx 0.27A$$

Dòng điện sơ cấp (Cách 1): $$\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1}$$ $$I_1 = I_2 \cdot \frac{U_2}{U_1} = \frac{3}{11} \times \frac{22}{220} = \frac{3}{11} \times \frac{1}{10} = \frac{3}{110} \approx 0.027A$$

Dòng điện sơ cấp (Cách 2): Do máy lý tưởng: $\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2 = 6W$ $$I_1 = \frac{\mathcal{P}_1}{U_1} = \frac{6}{220} = \frac{3}{110} \approx 0.027A$$

Kết luận:

• $U_2 = 22V$
• $I_1 \approx 0.027A = 27mA$
• $I_2 \approx 0.27A = 270mA$

Kiểm tra: $I_2 = 10 \times I_1$ (do $\frac{n_1}{n_2} = 10$) ✓

Dạng 3: Hiệu suất máy biến thế

Đề bài: Một máy biến thế có công suất vào $\mathcal{P}_1 = 10kW$ và hiệu suất $H = 96%$.

a) Tính công suất ra $\mathcal{P}_2$
b) Tính công suất hao phí $\Delta \mathcal{P}$

Lời giải:

Câu a) Công suất ra: $$\mathcal{P}_2 = H \cdot \mathcal{P}_1 = 0.96 \times 10 = 9.6kW$$

Câu b) Công suất hao phí: $$\Delta \mathcal{P} = \mathcal{P}_1 – \mathcal{P}_2 = 10 – 9.6 = 0.4kW = 400W$$

Kết luận:

• Công suất ra: 9.6 kW
• Hao phí: 400 W (chuyển thành nhiệt)

Giải thích: 4% năng lượng bị hao phí do điện trở cuộn dây, dòng Foucault và từ trễ.

Dạng 4: Truyền tải điện năng

Đề bài: Truyền một công suất điện $\mathcal{P} = 200kW$ trên đường dây có điện trở tổng $R = 20\Omega$. Điện áp truyền đi là $U = 5kV$.

a) Tính dòng điện trên đường dây
b) Tính công suất hao phí
c) Nếu tăng điện áp lên $U’ = 50kV$, hao phí thay đổi như thế nào?

Lời giải:

Câu a) Dòng điện trên dây: $$I = \frac{\mathcal{P}}{U} = \frac{200000}{5000} = 40A$$

Câu b) Công suất hao phí: $$\Delta \mathcal{P} = I^2R = 40^2 \times 20 = 1600 \times 20 = 32000W = 32kW$$

Tỉ lệ hao phí: $$\frac{\Delta \mathcal{P}}{\mathcal{P}} = \frac{32}{200} = 0.16 = 16%$$

Hao phí 16% – rất lớn!

Câu c) Khi tăng điện áp lên $U’ = 50kV$:

Dòng điện mới: $$I’ = \frac{\mathcal{P}}{U’} = \frac{200000}{50000} = 4A$$

Hao phí mới: $$\Delta \mathcal{P}’ = (I’)^2R = 4^2 \times 20 = 16 \times 20 = 320W$$

Tỉ lệ hao phí mới: $$\frac{\Delta \mathcal{P}’}{\mathcal{P}} = \frac{320}{200000} = 0.0016 = 0.16%$$

So sánh:

• Điện áp tăng: $\frac{U’}{U} = \frac{50}{5} = 10$ lần
• Hao phí giảm: $\frac{\Delta \mathcal{P}}{\Delta \mathcal{P}’} = \frac{32000}{320} = 100$ lần
• Hao phí giảm từ 16% xuống 0.16%!

Kết luận: Tăng điện áp gấp 10 lần → Hao phí giảm 100 lần ($10^2$)

Đây chính là lý do phải dùng máy tăng thế trong truyền tải điện!

Dạng 5: Bài toán tổng hợp

Đề bài: Một máy tăng thế lý tưởng có số vòng dây cuộn sơ cấp $n_1 = 100$ vòng, cuộn thứ cấp $n_2 = 1500$ vòng. Điện áp sơ cấp $U_1 = 200V$. Cuộn thứ cấp được nối với tải tiêu thụ công suất $\mathcal{P} = 90W$.

a) Tính điện áp thứ cấp $U_2$
b) Tính dòng điện $I_1$ và $I_2$
c) Kiểm tra bảo toàn năng lượng

Lời giải:

Câu a) Điện áp thứ cấp: $$U_2 = U_1 \cdot \frac{n_2}{n_1} = 200 \times \frac{1500}{100} = 200 \times 15 = 3000V = 3kV$$

Câu b) Dòng điện:

Dòng điện thứ cấp: $$I_2 = \frac{\mathcal{P}}{U_2} = \frac{90}{3000} = 0.03A = 30mA$$

Dòng điện sơ cấp (Cách 1): $$I_1 = I_2 \cdot \frac{n_2}{n_1} = 0.03 \times \frac{1500}{100} = 0.03 \times 15 = 0.45A$$

Dòng điện sơ cấp (Cách 2): $$I_1 = \frac{\mathcal{P}}{U_1} = \frac{90}{200} = 0.45A$$

Câu c) Kiểm tra bảo toàn năng lượng:

Công suất vào: $$\mathcal{P}_1 = U_1 I_1 = 200 \times 0.45 = 90W$$

Công suất ra: $$\mathcal{P}_2 = U_2 I_2 = 3000 \times 0.03 = 90W$$

Kết luận: $\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2 = 90W$ ✓ (Bảo toàn năng lượng)

Tóm tắt kết quả:

• $U_2 = 3000V$ (tăng 15 lần)
• $I_2 = 0.03A$ (giảm 15 lần)
• $I_1 = 0.45A$
• Năng lượng được bảo toàn

VIII. ỨNG DỤNG THỰC TẾ

1. Trạm biến thế trong thành phố

Quy trình truyền tải điện đến gia đình:

Bước 1: Nhà máy điện → Máy tăng thế 110kV hoặc 220kV

Bước 2: Trạm biến áp trung gian → Hạ xuống 22kV

Bước 3: Trạm biến áp khu phố → Hạ xuống 220V/380V

Bước 4: Phân phối đến từng hộ gia đình (220V)

Ví dụ cụ thể:

• Nhà máy thủy điện Hòa Bình: 10kV → 500kV → Truyền tải đến Hà Nội
• Trạm biến áp Hà Nội: 500kV → 220kV → 110kV → 22kV
• Trạm biến áp khu phố: 22kV → 220V cho dân dụng

2. Adapter sạc điện thoại

Máy hạ thế mini:

• Đầu vào: 220V AC (điện lưới)
• Đầu ra: 5V DC (sau khi chỉnh lưu)
• Công suất: 5W – 20W
• Tỉ số vòng dây: $\frac{n_2}{n_1} = \frac{5}{220} \approx \frac{1}{44}$

Cấu tạo:

• Máy biến thế hạ áp
• Mạch chỉnh lưu (AC → DC)
• Mạch ổn áp

3. Lò vi sóng

Máy tăng thế công suất cao:

• Đầu vào: 220V
• Đầu ra: 2000V – 5000V
• Tạo sóng vi ba tần số cao
• Làm nóng thức ăn nhờ sóng điện từ

4. Hệ thống truyền tải điện quốc gia

Sơ đồ tổng quát:

Nhà máy điện (10-20kV)
    ↓
Máy tăng thế → 500kV
    ↓
Truyền tải đường dây cao thế
    ↓
Trạm biến áp trung tâm → 220kV
    ↓
Trạm biến áp khu vực → 110kV
    ↓
Trạm biến áp phân phối → 22kV
    ↓
Trạm biến áp khu phố → 220V/380V
    ↓
Hộ gia đình, nhà máy

Lý do dùng điện áp cao:

• 500kV: Truyền tải liên tỉnh (hàng trăm km)
• 220kV: Truyền tải khu vực (vài chục km)
• 110kV: Phân phối đô thị
• 22kV: Phân phối khu vực nhỏ
• 220V: Dân dụng

5. Máy hàn điện

Máy hạ thế, tăng dòng:

• Đầu vào: 220V, dòng thấp
• Đầu ra: 40-80V, dòng rất cao (100-300A)
• Mục đích: Tạo nhiệt độ cao để nấu chảy kim loại

Nguyên lý:

• Giảm điện áp → Tăng dòng điện (do $P = UI$)
• Dòng lớn → Tỏa nhiệt lớn ($Q = I^2Rt$)
• Nhiệt độ cao → Nấu chảy điện cực và kim loại

IX. KẾT LUẬN

Bài viết đã trình bày đầy đủ và chi tiết công thức máy biến thế:

Công thức cơ bản:

• Tỉ số điện áp: $\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2}$
• Tỉ số dòng điện: $\frac{I_1}{I_2} = \frac{U_2}{U_1} = \frac{n_2}{n_1}$

Công thức quan trọng nhất: $$\boxed{\frac{U_1}{U_2} = \frac{n_1}{n_2} = \frac{I_2}{I_1}}$$

Phân loại:

• Máy tăng thế: $n_2 > n_1$, $U_2 > U_1$, $I_2 < I_1$
• Máy hạ thế: $n_2 < n_1$, $U_2 < U_1$, $I_2 > I_1$

Hiệu suất:

• Máy lý tưởng: $\mathcal{P}_1 = \mathcal{P}_2$
• Máy thực tế: $H = \frac{\mathcal{P}_2}{\mathcal{P}_1}$

Truyền tải điện:

• Hao phí: $\Delta \mathcal{P} = I^2R = \frac{\mathcal{P}^2R}{U^2}$
• Nguyên tắc: Tăng $U$ → Giảm hao phí

Nguyên tắc truyền tải điện năng

Để giảm hao phí trong truyền tải:

$$\Delta \mathcal{P} = \frac{\mathcal{P}^2R}{U^2}$$

Kết luận: Tăng điện áp $U$ → Giảm hao phí $\Delta \mathcal{P}$ (tỉ lệ nghịch với $U^2$)

Đây là ý nghĩa quan trọng nhất của máy biến thế trong đời sống!

Cô Trần Thị Bình

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Lý – Hóa – Sinh tại Edus

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Hoá Học, Bằng Thạc sĩ, Chức danh nghề nghiệp Giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Gia Định