Cấu tạo, nguyên tắc Máy Biến áp, cuộn Sơ cấp Thứ cấp và Bài toán truyền tải điện năng đi xa - Vật lý 12 bài 16

Vậy Máy biến áp là gì, cấu tạo và nguyên tắc máy biến áp như thế nào? cuộn sơ cấp thứ cấp trong máy biến áp là gì? và bài toán truyền tải điện năng đi xa được giải quyết ra sao? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Bài toán truyền tải điện năng đi xa

- Công suất phát đi từ nhà máy phát điện: P = U.I

- Công suất hao phí do tỏa nhiệt trên đường dây tải: 

→ Như vậy, với công suất phát P là xác định, để giảm ΔP ta phải giảm r hoặc tăng U

- Biện pháp giảm r có những hạn chế vì  nên để giảm r ta phải dùng các loại dây có điện trở suất ρ nhỏ như bạc, dây siêu dẫn,... với giá thành rất cao hoặc tăng tiết diện S của dây, tuy nhiên khi tăng S thì tốn kim loại và chi phí xây trụ điện lớn vì dây rất nặng nên không kinh tế.

- Như vậy, biện pháp tăng hiệu điện thế U có hiệu quả rõ rệt, tăng U lên n lần thì P_{hao phí} giảm n² lần.

II. Máy biến áp

- Máy biến áp là gì? Định nghĩa: Máy biến áp là những thiết bị có khả năng biến đổi điện áp (xoay chiều), nhưng không làm thay đổi tần số.

1. Cấu tạo và nguyên tắc của máy biến áp

Cấu tạo Máy biến áp

• Cấu tạo của máy biến áp

- Bộ phận chính là một lỏi biến áp hình khung bằng sắt non có pha silic cùng với hai cuộn dây có điện trở nhỏ và độ tự cảm lớn quấn trên lỏi biến áp.

- Cuộn thứ nhất có N₁ vòng nối vào nguồn phát điện gọi là cuộn sơ cấp.

- Cuộn thứ 2 có N₂ vòng nối ra các cơ sở tiêu thụ điện năng gọi là cuộn thứ cấp.

• Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp

- Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ

- Nối hai đầu cuộn sơ vấp vào nguồn phát điện xoay chiều, dòng điện xoay chiều chạy trong cuộn sơ cấp tạo ra từ trường biến thiên trong lõi biến áp.

- Từ thông biến thiên của từ trường đó qua cuộn thứ cấp gây ra suất điện động cảm ứng trong cuộn thứ cấp.

2. Khảo sát thực nghiệm một máy biến áp

- Khảo sát bằng thực nghiệm những đặc tính của một máy biến áp bằng sơ đồ thực nghiệm như hình sau:

• Cuộn thứ cấp để hở (I₂ = 0, máy biến áp ở chế độ không tải)

- Thay đổi các số vòng N₁, N₂ đi các điện áp U₁, U₂ ta thấy: 

- Nếu N₂ > N₁  thì U₂ > U₁: Máy tăng áp

- Nếu N₂ < N₁  thì U₂ < U₁: Máy hạ áp

• Cuộn thứ cấp nối với tải tiêu thụ (I₂ ≠ 0, máy biến áp ở chế độ có tải)

- Nếu hao phí điện năng trong máy biến áp không đáng kể (máy biến áp làm việc trong điều kiện lí tưởng) thì công suất của dòng điện trong mạch sơ cấp và trong mạch thứ cấp có thể coi bằng nhau: U₁.I₁ = U₂.I₂

- Do đó: 

3. Ứng dụng của máy biến áp

a) Máy biến áp ứng dụng để truyền tải điện năng

- Thay đổi điệ áp của dòng điện xoay chiều đến các giá trị thích hợp

- Sử dụng trong việc truyền tải điện năng đi xa để giảm hao phí trên đường dây truyền tải

b) Máy biến áp ứng dụng nấu chảy kim loại trong hàn điện

- Sử dụng trong máy hàn điện nấu chảy kim loại:- Máy hàn điện nấu chảy kim loại hoạt động theo nguyên tắc biến áp, trong đó cuộn sơ cấp gồm nhiều vòng dây tiết diện nhỏ, cuộn thứ cấp có ít vòng dây tiết diện lớn.

III. Bài tập về máy biến áp và truyền tải điện năng

* Bài 1 trang 91 SGK Vật Lý 12: Máy biến áp là gì? Nêu cấu tạo và nguyên tắc làm việc của biến áp.

° Lời giải bài 1 trang 91 SGK Vật Lý 12:

- Máy biến áp là thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều.

- Cấu tạo của máy biến áp: Lõi sắt non hình chữ nhật. Hai cuộn dây N₁, N₂ có số vòng dây quấn khác nhau. Cuộn dây N₁ nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp, cuộn dây N₂ nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp.

- Nguyên tắc hoạt động của máy biến áp: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, mắc hai đầu cuộn sơ cấp vào điện áp xoay chiều có tần số f. Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi sắt đi đến cuộn thứ cấp làm xuất hiện suất điện động cảm ứng. Khi máy biến áp hoạt động trong cuộn thứ cấp xuất hiện dòng điện xoay chiều cùng tần số với dòng điện ở cuộn sơ cấp.

* Bài 2 trang 91 SGK Vật Lý 12: Máy biến áp lí tưởng làm việc bình thường có tỉ số N₂/N₁ bằng 3 khi (U₁, I₁) = (360V, 6A) thì (U₂, I₂) bằng bao nhiêu?

 A. (1080V, 18A)      B. (120V, 2A)

 C. (1080V, 2A)     D. (120V, 18A)

° Lời giải bài 2 trang 91 SGK Vật Lý 12:

¤ Chọn đáp án: C.(1080V, 2A)

- Theo bài ra, ta có: N₂/N₁ = 3; lại có:

 N₂/N₁ = U₂/U₁ ⇒ U₂/U₁ = 3 ⇒ U₂ = 3U₁ = 3.360 = 1080(V).

- Vì máy biến áp lý tưởng nên ta có:

 I₁/I₂ = N₂/N₁ = 3 ⇒ I₂ = I₁/3 = 6/3 = 2(A).

* Bài 3 trang 91 SGK Vật Lý 12: Một biến áp có cuộn sơ cấp gồm 2000 vòng, cuộn thứ cấp gồm 100 vòng, điện áp và cường độ ở mạch sơ cấp là 120V, 0,8A. Điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

 A. 6V, 96W      B. 240V, 96W

 C. 6V, 4,8W     D. 120V, 4,8W

° Lời giải bài 3 trang 91 SGK Vật Lý 12:

¤ Chọn đáp án: A. 6V, 96W

- Theo bài ra, ta có: N₁ = 2000 vòng; N₂ = 100 vòng, U₁ = 120(V), I₁ = 0,8(A).

- Áp dụng công thức: U₂/U₁ = N₂/N₁ ⇒ U₂ = (N₂/N₁).U₁ = (100/2000).120 = 6(V).

- Lại có: I₁/I₂ = N₂/N₁ ⇒ I₂ = I₁.(N₁/N₂) = 0,8.(2000/100) = 0,8.20 = 16(A).

- Công suất: P₂ = U₂.I₂ = 6.16 = 96(W).

- Vậy điện áp và công suất ở cuộn thứ cấp là: (6V, 96W).

* Bài 4 trang 91 SGK Vật Lý 12: Một biến áp có hai cuộn dây lần lượt có 10000 vòng và 200 vòng.

a) Muốn tăng áp thì cuộn nào là cuộn sơ cấp? Nếu đặt vào cuộn sơ cấp điện áp hiệu dụng 220V thì điện áp hiệu dụng ở cuộn thứ cấp bằng bao nhiêu?

b) Cuộn nào có tiết diện dây lớn hơn?

° Lời giải bài 4 trang 91 SGK Vật Lý 12:

a) Để là máy tăng áp thì số vòng của cuộn dây thứ cấp phải lớn hơn số vòng dây của cuộn sơ cấp. Do đó số vòng cuộn sơ cấp là N₁ = 200 vòng thì số vòng của cuộn thứ cấp là N₂ = 10000 vòng, khi đó ta có:

 U₂/U₁ = N₂/N₁ ⇒ U₂ = U₁.(N₂/N₁) = 220.(10000/200)=220.50 = 11000(V)

b) Vì N₁ < N₂ nên cuộn sơ cấp có tiết diện dây lớn hơn.

¤ Các giải thích khác (trong trường hợp tổng quát) là ta tính cường độ dòng điện như sau:

- Ta có: I₁/I₂ = N₂/N₁ = 10000/200 = 50.

- Như vậy, cường độ dòng điện ở cuộn sơ cấp lớn hơn 50 lần cường độ dòng điện ở cuộn thứ cấp. Do đó, cuộn sơ cấp có tiết diện dây lớn hơn cuộn thứ cấp.

* Bài 5 trang 91 SGK Vật Lý 12: Máy biến áp lí tưởng cung cấp một dòng điện 30A dưới một điện áp hiệu dụng 220V. Điện áp hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là 5kV.

a) Tính công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của biến áp

b) Tính cường độ hiệu dụng ở cuộn sơ cấp.

° Lời giải bài 5 trang 91 SGK Vật Lý 12:

a) Máy biến áp là lý tưởng (bỏ qua hao phí của máy biến áp):

- Công suất tiêu thụ ở cửa vào và ở cửa ra của máy biến áp là:

 P₁ = P₂ = U₂I₂ = 220.30 = 6600(W).

b) Tại cuộn sơ cấp, ta có: P₁ = U₁.I₁ nên cường độ dòng điện hiệu dụng ở cuộn sơ cấp là:

 I₁ = P₁/U₁ = 6600/5000 = 1,32(A)

* Bài 6 trang 91 SGK Vật Lý 12: Một biến áp cung cấp một công suất 4kW dưới một điện áp hiệu dụng 110V. Biến áp đó nối với đường dây tải điện có điện trở tổng là 2Ω

a) Tính cường độ hiệu dụng trên đường dây tải điện.

b) Tính độ sụt thế trên đường dây tải điện.

c) Tính điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện.

d) Xác định công suất tổn hao trên đường dây đó.

e) Thay biến áp trển dây bằng một biến áp có cùng công suất nhưng điện áp hiệu dụng ở cửa ra là 220V. Tính toán lại các đại lượng nêu ra ở bốn câu hỏi trên.

° Lời giải bài 6 trang 91 SGK Vật Lý 12:

a) Cường độ dòng điện hiệu dụng trên đường dây tải điện:

- Áp dụng công thức: P₂ = U₂.I₂ ⇒ I₂ = P₂/U₂ = 4000/110 = 36,36(A).

b) Độ sụt thế trên đường dây tải điện: ΔU_d = R_d.I₂ = 2.36,36 = 72,73(V).

c) Điện áp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện là:

 U_d = U - ΔU_d = 110 – 72,73 = 37,27(V).

d) Công suất tổn hao trên đường dây:

 P_hp = (I₂)².R_d = (36,36)².2 ≈ 2644,63(W).

e) Khi thay biến áp trên dây bằng một biến áp có cùng công suất, nhưng điện áp hiệu dụng ở của ra là U’₂ = 220V, tương tự trên ta có:

- Cường độ dòng điện hiệu dụng trên dây tải điện:

 I'₂ = P₂/U'₂ = (4.10³)/220 = 200/11 ≈ 18,18(A).

- Độ sụt thế trên đường dây tải điện:

 ΔU'_d = I'₂.R_d = 18,18.2 ≈ 36,36(V).

- Điện ấp hiệu dụng ở cuối đường dây tải điện:

 U'_d = U' - ΔU'_d = 220 - 36,36 = 183,64(V).

- Công suất tổn hao trên đường dây:

 P'_hp = I'₂.R_d = (18,18)².2 = 661,16(W).