Mục tiêu
Khởi động
Nhà máy thủy điện ở miền núi cách thành phố hàng trăm kilômét. Điện năng truyền qua những đường dây có điện áp tới $220$ kV hay $500$ kV, nhưng ổ cắm trong nhà chỉ có $220$ V. Việc tăng giảm điện áp đó do máy biến áp đảm nhiệm, cũng dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cùng nguyên lí cảm ứng, bếp từ ở nhà bếp làm nóng nồi mà bản thân mặt bếp gần như không nóng.
Kiến thức
1. Máy biến áp
Máy biến áp gồm hai cuộn dây có số vòng khác nhau quấn trên cùng một lõi thép: cuộn sơ cấp ($N_1$ vòng) nối với nguồn điện xoay chiều và cuộn thứ cấp ($N_2$ vòng) nối với tải. Dòng điện xoay chiều ở cuộn sơ cấp tạo ra từ thông biến thiên trong lõi thép; từ thông này xuyên qua cuộn thứ cấp và sinh ra suất điện động cảm ứng xoay chiều ở đó, cùng tần số với dòng sơ cấp.
Đối với máy biến áp lí tưởng (không có hao phí), ta có:
Máy có $N_2 > N_1$ là máy tăng áp ($U_2 > U_1$, $I_2 < I_1$); máy có $N_2 < N_1$ là máy hạ áp. Máy biến áp thực tế có hiệu suất $H = \dfrac{P_2}{P_1} < 1$ do nhiệt tỏa ra ở điện trở các cuộn dây và do dòng điện Foucault trong lõi thép.
2. Truyền tải điện năng đi xa
Truyền công suất $P$ ở điện áp $U$ (hệ số công suất bằng $1$) qua đường dây có điện trở tổng cộng $R$ thì cường độ dòng điện trên dây là $I = \dfrac{P}{U}$, và công suất hao phí (tỏa nhiệt trên dây) là:
Công thức cho thấy hao phí tỉ lệ nghịch với bình phương điện áp. Vì vậy ở đầu đường dây người ta dùng máy tăng áp để truyền tải ở điện áp rất cao: tăng điện áp lên $k$ lần thì cường độ dòng điện giảm $k$ lần và hao phí giảm $k^2$ lần. Đến nơi tiêu thụ, máy hạ áp đưa điện áp về giá trị an toàn. Cách khác là giảm điện trở $R$ bằng dây to hơn, nhưng tốn kim loại và rất đắt nên ít được dùng.
3. Dòng điện Foucault và ứng dụng
Khi một khối kim loại nằm trong từ trường biến thiên (hoặc chuyển động trong từ trường), từ thông qua các "vòng" bên trong khối biến thiên nên xuất hiện những dòng điện cảm ứng khép kín trong khối, gọi là dòng điện Foucault (dòng xoáy). Vì khối kim loại có điện trở nhỏ nên dòng này có thể rất lớn và tỏa nhiều nhiệt.
- Tác hại: gây hao phí nhiệt trong lõi thép của máy biến áp và động cơ. Cách hạn chế là ghép lõi thép bằng các lá thép mỏng cách điện với nhau để làm đứt đường đi của dòng xoáy.
- Ứng dụng: bếp từ, lò cảm ứng nấu chảy kim loại, hàn cảm ứng, phanh điện từ (đĩa kim loại quay trong từ trường bị lực từ cản lại).
Bếp từ có cuộn dây dưới mặt kính, dòng điện xoay chiều tần số cao trong cuộn dây tạo từ trường biến thiên mạnh; từ trường này sinh dòng Foucault trong đáy nồi bằng kim loại sắt từ và làm nồi nóng lên. Nồi nhôm, nồi thủy tinh hay nồi gốm thường không dùng được trên bếp từ thông thường vì dòng xoáy rất yếu hoặc không có.
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1: Điện áp và dòng điện của máy biến áp
Máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp $1000$ vòng, cuộn thứ cấp $100$ vòng, đặt vào cuộn sơ cấp điện áp hiệu dụng $220$ V. Dòng điện thứ cấp có cường độ hiệu dụng $5$ A. Tính điện áp thứ cấp và cường độ dòng điện sơ cấp.
$U_2 = U_1\dfrac{N_2}{N_1} = 220\cdot\dfrac{100}{1000} = 22$ V (máy hạ áp). $I_1 = \dfrac{U_2I_2}{U_1} = \dfrac{22\cdot5}{220} = 0{,}5$ A.
Ví dụ 2: Công suất hao phí trên đường dây
Truyền tải công suất $100$ kW bằng đường dây có điện trở tổng cộng $20$ Ω, điện áp ở đầu đường dây là $10$ kV (hệ số công suất bằng $1$). Tính cường độ dòng điện, công suất hao phí và phần trăm hao phí.
$I = \dfrac{P}{U} = \dfrac{100\,000}{10\,000} = 10$ A. $\Delta P = I^2R = 10^2\cdot20 = 2000$ W $= 2$ kW. $\dfrac{\Delta P}{P} = \dfrac{2}{100} = 2\%$.
Ví dụ 3: Tăng điện áp truyền tải
Trong Ví dụ 2, nếu tăng điện áp ở đầu đường dây lên $10$ lần (cùng công suất, cùng đường dây) thì công suất hao phí là bao nhiêu?
Hao phí giảm $10^2 = 100$ lần: $\Delta P' = \dfrac{2}{100} = 0{,}02$ kW, tức $0{,}02\%$ công suất truyền đi.
Kiểm tra nhanh
Kiểm tra nhanh: Máy biến áp có $N_2 = 5N_1$ là máy tăng áp hay hạ áp? $U_2$ gấp mấy lần $U_1$?
Máy tăng áp; $U_2 = 5U_1$.
Kiểm tra nhanh: Vì sao lõi thép máy biến áp được ghép từ các lá thép mỏng cách điện?
Để giảm dòng điện Foucault trong lõi, hạn chế hao phí nhiệt.
Kiểm tra nhanh: Tăng điện áp truyền tải lên $20$ lần thì hao phí giảm bao nhiêu lần?
$20^2 = 400$ lần.
Tóm tắt
- Máy biến áp (lí tưởng): $\dfrac{U_2}{U_1} = \dfrac{N_2}{N_1}$, $\dfrac{I_2}{I_1} = \dfrac{N_1}{N_2}$, chỉ dùng với dòng xoay chiều, không đổi tần số.
- Hao phí truyền tải $\Delta P = \dfrac{P^2R}{U^2}$: tăng $U$ lên $k$ lần thì hao phí giảm $k^2$ lần.
- Dòng Foucault: có hại ở lõi máy biến áp (giảm bằng lá thép mỏng), có ích ở bếp từ, lò cảm ứng, phanh điện từ.
Khi đã đọc xong, hãy bấm nút Luyện tập chủ đề này ở cuối bài để làm các câu trắc nghiệm, đúng/sai và trả lời ngắn về nội dung vừa học.