Bài 18: Ứng Dụng Hiện Tượng Cảm Ứng Điện Từ
Trạm biến áp cao thế: Tăng điện áp để giảm hao phí tỏa nhiệt đường dây truyền tải điện đi xa
NỘI DUNG BÀI HỌC
1. Máy Biến Áp
Định nghĩa: Máy biến áp là thiết bị có khả năng biến đổi điện áp hiệu dụng của dòng điện xoay chiều mà không làm thay đổi tần số của dòng điện.
Hình 18.1: Cấu tạo lõi thép kĩ thuật điện ghép lá và nguyên tắc cảm ứng điện từ trong máy biến áp.
vatli102.com• Lõi biến áp: Khung khép kín ghép từ nhiều lá thép kĩ thuật điện (thép silicon) mỏng, sơn cách điện với nhau để giảm hao phí do dòng điện xoáy Foucault.
• Cuộn sơ cấp: Gồm $N_1$ vòng dây dẫn cách điện quấn quanh lõi thép, nối với nguồn điện xoay chiều điện áp $U_1$.
• Cuộn thứ cấp: Gồm $N_2$ vòng dây dẫn cách điện quấn quanh lõi thép, nối với tải tiêu thụ điện áp $U_2$.
• Đặt điện áp xoay chiều $u_1$ vào cuộn sơ cấp sinh ra dòng điện xoay chiều $i_1$.
• Dòng $i_1$ tạo ra trong lõi sắt một từ thông biến thiên $\Phi(t)$ cùng tần số truyền qua cả hai cuộn dây.
• Từ thông biến thiên làm xuất hiện trong cuộn thứ cấp một suất điện động cảm ứng xoay chiều $e_2(t)$ dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
• $N_1, N_2$: Số vòng dây cuộn sơ cấp (nối nguồn vào) và cuộn thứ cấp (nối tải ra).
• $U_1, U_2$: Điện áp hiệu dụng hai đầu cuộn sơ cấp và thứ cấp.
• $I_1, I_2$: Cường độ dòng điện hiệu dụng trong cuộn sơ cấp và thứ cấp.
• Nếu $N_2 > N_1 \Longrightarrow U_2 > U_1$: Máy tăng áp (đồng thời giảm dòng điện $I_2 < I_1$).
• Nếu $N_2 < N_1 \Longrightarrow U_2 < U_1$: Máy hạ áp (đồng thời tăng dòng điện $I_2 > I_1$).
2. Truyền Tải Điện Năng Đi Xa
Trong quá trình truyền tải điện năng từ nhà máy điện đến nơi tiêu thụ qua đường dây dẫn có điện trở $R$, một phần điện năng bị hao phí do tỏa nhiệt Joule – Lenz trên đường dây.
Hình 18.2: Hệ thống truyền tải điện năng đi xa kết hợp máy tăng áp nâng cao thế và các trạm biến áp hạ thế.
vatli102.com• $P$: Công suất điện cần truyền đi ở nơi phát ($\text{W}$).
• $U$: Điện áp hiệu dụng ở đầu đường dây truyền tải ($\text{V}$).
• $\cos\varphi$: Hệ số công suất của mạch điện (thường $\cos\varphi \approx 1$).
• $R = \rho \cdot \dfrac{l}{S}$: Điện trở tổng cộng của dây dẫn tải điện ($\Omega$).
• Để giảm hao phí $P_{hp}$, ta không thể giảm $R$ quá nhiều (vì giảm điện trở suất $\rho$ dùng bạc/đồng rất tốn kém, còn tăng tiết diện $S$ làm dây quá nặng khiến cột điện quá tải).
• Giải pháp tối ưu nhất: Sử dụng máy tăng áp nâng điện áp $U$ ở đầu đường dây lên rất cao (như lưới điện siêu cao thế $500\text{ kV}$). Do $P_{hp} \propto \dfrac{1}{U^2}$, khi điện áp $U$ tăng lên $k$ lần thì công suất hao phí giảm vọt $k^2$ lần. Khi đến nơi tiêu thụ, người ta dùng máy hạ áp để hạ dần điện áp về mức an toàn ($220\text{ V}$).
3. Cảm Âm Pickup Trong Đàn Ghi Ta Điện
Khác với đàn ghi ta gỗ truyền thống sử dụng thùng đàn rỗng để khuếch đại âm thanh bằng cộng hưởng cơ học, đàn ghi ta điện có thân đàn đặc và sử dụng các bộ cảm âm (Pickup) để chuyển đổi trực tiếp dao động cơ học của dây đàn thành tín hiệu dòng điện xoay chiều dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.
Hình 18.3: Cấu tạo cảm âm Pickup: Nam châm Alnico từ hóa dây đàn thép và cuộn dây cảm ứng.
vatli102.com• Dây đàn: Làm bằng kim loại có tính nhiễm từ tốt (thép hoặc hợp kim chứa niken, sắt).
• Lõi nam châm vĩnh cửu: Đặt cố định ngay bên dưới mỗi dây đàn, có nhiệm vụ tạo từ trường và từ hóa đoạn dây đàn thép phía trên nó.
• Cuộn dây cảm ứng: Gồm hàng ngàn vòng dây đồng mảnh bọc men cách điện quấn quanh lõi nam châm.
• 1. Từ hóa: Dây đàn thép bị nam châm từ hóa, trở thành một "nam châm nhỏ" mang từ tính.
• 2. Dao động: Khi gảy đàn, dây thép dao động làm từ trường gửi qua cuộn dây biến thiên tuần hoàn với tần số đúng bằng tần số âm thanh của nốt nhạc.
• 3. Cảm ứng & Khuếch đại: Từ thông biến thiên sinh ra dòng điện cảm ứng xoay chiều $e(t)$ cùng tần số, truyền qua Ampli khuếch đại rồi phát ra loa.
4. Sạc Không Dây (Wireless Charging)
Công nghệ sạc không dây (chuẩn Qi) truyền tải năng lượng điện từ đế sạc sang thiết bị di động (smartphone, smartwatch, tai nghe) mà không cần dây cắm vật lý, hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ (khớp nối cảm ứng) giữa hai cuộn dây.
Hình 18.4: Sơ đồ truyền năng lượng không dây giữa cuộn phát (Tx) ở đế sạc và cuộn thu (Rx) ở điện thoại.
vatli102.com• Đế sạc (Bộ phát - Transmitter): Chứa mạch dao động cao tần và cuộn dây phát (Tx coil) đặt phẳng dưới bề mặt đế.
• Điện thoại (Bộ thu - Receiver): Mặt lưng tích hợp cuộn dây thu (Rx coil) và mạch chỉnh lưu biến đổi dòng xoay chiều thành một chiều (AC $\rightarrow$ DC).
• 1. Tạo từ trường biến thiên: Dòng điện xoay chiều cao tần chạy qua cuộn phát sinh ra từ trường biến thiên $\vec{B}(t)$ trong không gian.
• 2. Xuất hiện suất điện động cảm ứng: Khi đặt điện thoại lên đế sạc, từ trường biến thiên xuyên qua cuộn thu làm xuất hiện suất điện động cảm ứng xoay chiều $e(t)$.
• 3. Nạp pin: Dòng điện cảm ứng được mạch chỉnh lưu chuyển thành dòng DC để nạp vào pin Lithium-ion.
5. Bếp Cảm Ứng Từ (Induction Cooker)
Bếp từ là thiết bị đun nấu hiện đại sử dụng tác dụng nhiệt của dòng điện xoáy Foucault sinh ra trực tiếp bên trong khối kim loại đáy nồi để làm chín thức ăn nhanh chóng và an toàn.
Hình 18.5: Cắt bổ bếp cảm ứng từ: Từ trường xoay chiều cao tần sinh dòng xoáy Foucault làm sôi nước trong nồi.
vatli102.com• Dưới mặt kính cách điện có cuộn dây đồng xoắn ốc được cấp dòng điện xoay chiều tần số cao ($20 - 50\text{ kHz}$).
• Cuộn dây tạo ra từ trường biến thiên tần số cao xuyên qua đáy nồi làm bằng vật liệu nhiễm từ (gang, thép, inox từ tính).
• Đáy nồi xuất hiện dòng điện xoáy Foucault cường độ lớn. Do đáy nồi có điện trở $R$, dòng Foucault tỏa nhiệt lượng rất lớn theo định luật Joule – Lenz: $Q = I^2 R t$.
• Hiệu suất cực cao ($\ge 90\%$): Nhiệt sinh trực tiếp ngay tại đáy nồi, hạn chế tối đa thất thoát ra môi trường.
• An toàn, sạch sẽ: Mặt kính không bị nung nóng trực tiếp (chỉ ấm nhẹ do nhiệt đáy nồi truyền ngược), không lửa, không khói khí độc.
• Lưu ý: Nồi thủy tinh, gốm sứ, nhôm nguyên chất không nhiễm từ sẽ không sinh nhiệt trên bếp từ.
6. Phanh Điện Từ (Electromagnetic Brake)
Phanh điện từ (hay hãm điện từ) là hệ thống phanh sử dụng tác dụng cơ học của dòng điện xoáy Foucault để giảm tốc độ chuyển động của các phương tiện giao thông tốc độ cao (tàu hỏa cao tốc Shinkansen, TGV, tàu lượn siêu tốc, xe tải nặng).
Hình 18.6: Phanh điện từ: Đĩa kim loại quay cắt từ trường nam châm sinh dòng Foucault tạo lực hãm theo định luật Lenz.
vatli102.com• Đĩa kim loại dẫn điện (đồng/nhôm/thép) gắn đồng trục quay với bánh xe.
• Khi phanh, đóng mạch cấp điện cho nam châm điện tạo ra từ trường mạnh $\vec{B}$ xuyên vuông góc qua đĩa kim loại.
• Đĩa quay cắt từ trường sinh ra dòng điện xoáy Foucault. Theo Định luật Lenz, lực từ tác dụng lên dòng Foucault luôn chống lại chuyển động quay của đĩa, tạo ra mômen lực hãm làm đĩa dừng lại êm ái.
• Không ma sát cơ học (phanh không tiếp xúc): Không bị mòn má phanh, không phát sinh nhiệt ma sát bề mặt gây cháy mòn.
• Độ tin cậy và an toàn cao: Phanh êm ái ở tốc độ cực lớn mà không sợ hiện tượng bó cứng phanh (lết bánh).
• Hồi phục năng lượng: Có thể kết hợp thành hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking) nạp ngược điện năng vào ắc quy.
7. Các Dạng Bài Tập Trọng Tâm & Lời Giải Chi Tiết
DẠNG 1: TÍNH TOÁN CÁC ĐẠI LƯỢNG MÁY BIẾN ÁP LÍ TƯỞNG
PHƯƠNG PHÁP GIẢI & CÔNG THỨC CỐT LÕI:
• Công thức tổng quát: $\dfrac{U_2}{U_1} = \dfrac{N_2}{N_1} = \dfrac{I_1}{I_2} \Longrightarrow U_2 = U_1 \cdot \dfrac{N_2}{N_1}$.
• Tần số của dòng điện qua hai cuộn dây luôn bằng nhau: $f_1 = f_2 = f$.
• Điện áp trên mỗi vòng dây ở hai cuộn là như nhau: $u_0 = \dfrac{U_1}{N_1} = \dfrac{U_2}{N_2}$.
Ví dụ 1: Một máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp gồm $N_1 = 1000$ vòng và cuộn thứ cấp gồm $N_2 = 200$ vòng. Đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng $U_1 = 220\text{ V}$.
a) Máy này là máy tăng áp hay máy hạ áp? Tính điện áp hiệu dụng $U_2$ ở hai đầu cuộn thứ cấp khi để hở.
b) Khi nối hai đầu cuộn thứ cấp với một bóng đèn tiêu thụ dòng điện $I_2 = 1,5\text{ A}$, xác định cường độ dòng điện $I_1$ ở cuộn sơ cấp.
Lời giải chi tiết:
a) Phân loại máy và tính điện áp thứ cấp $U_2$:
Vì $N_2 = 200 < N_1 = 1000 \Longrightarrow$ Đây là máy hạ áp.
Áp dụng công thức máy biến áp:
$$\frac{U_2}{U_1} = \frac{N_2}{N_1} \Longrightarrow U_2 = U_1 \cdot \frac{N_2}{N_1} = 220 \cdot \frac{200}{1000} = \mathbf{44\text{ V}}.$$
b) Cường độ dòng điện cuộn sơ cấp $I_1$:
Đối với máy biến áp lí tưởng:
$$\frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1} \Longrightarrow I_1 = I_2 \cdot \frac{N_2}{N_1} = 1,5 \cdot \frac{200}{1000} = \mathbf{0,3\text{ A}}.$$
Ví dụ 2: Một máy biến áp lí tưởng có cuộn sơ cấp $N_1 = 1100$ vòng mắc vào điện áp xoay chiều $U_1 = 220\text{ V}$. Ở cuộn thứ cấp, người ta đo được điện áp hiệu dụng $U_2 = 12\text{ V}$. Hỏi người ta cần quấn thêm hay bớt bao nhiêu vòng dây vào cuộn thứ cấp để điện áp đầu ra đạt đúng $U_2' = 24\text{ V}$?
Lời giải chi tiết:
• Số vòng dây ban đầu của cuộn thứ cấp: $$N_2 = N_1 \cdot \frac{U_2}{U_1} = 1100 \cdot \frac{12}{220} = 60\text{ vòng}.$$
• Số vòng dây cần thiết để điện áp ra là $U_2' = 24\text{ V}$: $$N_2' = N_1 \cdot \frac{U_2'}{U_1} = 1100 \cdot \frac{24}{220} = 120\text{ vòng}.$$
• Số vòng dây cần quấn thêm vào cuộn thứ cấp: $$\Delta N = N_2' - N_2 = 120 - 60 = \mathbf{60\text{ (vòng)}}.$$
DẠNG 2: BÀI TOÁN HAO PHÍ TRUYỀN TẢI & HIỆU SUẤT ĐƯỜNG DÂY
PHƯƠNG PHÁP GIẢI & QUAN HỆ HAO PHÍ:
• Công suất hao phí: $P_{hp} = R \cdot \dfrac{P^2}{U^2 \cos^2\varphi}$.
• Hiệu suất truyền tải điện năng: $H = \dfrac{P - P_{hp}}{P} = 1 - \dfrac{P_{hp}}{P}$.
• Khi tăng điện áp truyền tải từ $U_1$ lên $U_2 = k \cdot U_1$ (với $P$ không đổi) thì hao phí giảm $k^2$ lần: $\dfrac{P_{hp2}}{P_{hp1}} = \left(\dfrac{U_1}{U_2}\right)^2 = \dfrac{1}{k^2}$.
Ví dụ 3: Một nhà máy điện phát ra công suất điện $P = 500\text{ kW}$ được truyền đến nơi tiêu thụ qua đường dây dẫn có tổng điện trở $R = 20\,\Omega$. Hệ số công suất đường dây $\cos\varphi = 1$.
a) Nếu truyền tải điện ở điện áp $U_1 = 5\text{ kV}$, tính công suất hao phí và hiệu suất truyền tải $H_1$.
b) Người ta dùng máy tăng áp nâng điện áp lên $U_2 = 50\text{ kV}$. Hỏi công suất hao phí giảm đi bao nhiêu lần và hiệu suất truyền tải $H_2$ bằng bao nhiêu?
Lời giải chi tiết:
a) Khi điện áp $U_1 = 5\text{ kV} = 5000\text{ V}$:
• Công suất hao phí:
$$P_{hp1} = R \cdot \frac{P^2}{U_1^2} = 20 \cdot \frac{(500 \times 10^3)^2}{5000^2} = 20 \cdot 10000 = \mathbf{200\text{ kW}}.$$
• Hiệu suất truyền tải:
$$H_1 = 1 - \frac{P_{hp1}}{P} = 1 - \frac{200}{500} = 1 - 0,4 = \mathbf{60\%}.$$
b) Khi tăng điện áp lên $U_2 = 50\text{ kV} = 10 \cdot U_1$:
• Vì điện áp tăng lên 10 lần nên công suất hao phí giảm $10^2 = \mathbf{100\text{ lần}}$:
$$P_{hp2} = \frac{P_{hp1}}{100} = \frac{200\text{ kW}}{100} = \mathbf{2\text{ kW}}.$$
• Hiệu suất truyền tải mới:
$$H_2 = 1 - \frac{P_{hp2}}{P} = 1 - \frac{2}{500} = 1 - 0,004 = \mathbf{99,6\%}.$$
Ví dụ 4: Cần truyền tải một công suất điện không đổi từ một nhà máy đến khu công nghiệp. Ban đầu khi dùng điện áp $U_1 = 10\text{ kV}$ thì hiệu suất truyền tải là $H_1 = 80\%$. Để nâng hiệu suất truyền tải lên $H_2 = 95\%$, cần nâng điện áp nơi phát lên giá trị $U_2$ bằng bao nhiêu?
Lời giải chi tiết:
• Tỉ lệ phần trăm hao phí ban đầu: $$\Delta P_1\% = 1 - H_1 = 1 - 0,80 = 0,20\text{ (20\%)}.$$
• Tỉ lệ phần trăm hao phí lúc sau: $$\Delta P_2\% = 1 - H_2 = 1 - 0,95 = 0,05\text{ (5\%)}.$$
• Lập tỉ lệ hao phí theo điện áp (với công suất truyền $P$ và điện trở $R$ không đổi): $$\frac{\Delta P_2}{\Delta P_1} = \left(\frac{U_1}{U_2}\right)^2 \Longrightarrow \frac{0,05}{0,20} = \frac{1}{4} = \left(\frac{U_1}{U_2}\right)^2$$ $$\Longrightarrow \frac{U_1}{U_2} = \frac{1}{2} \Longrightarrow U_2 = 2 \cdot U_1 = 2 \cdot 10 = \mathbf{20\text{ kV}}.$$