Máy biến thế: Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, công dụng & vai trò (kiến thức lý 9)

Máy biến thế là gì?

Máy biến thế (hay còn được gọi là máy biến áp), là một thiết bị điện từ loại tĩnh, hoạt động bằng điện và dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.

Mục đích của máy biến thế là chuyển đổi một hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành dòng điện xoay chiều ở điện áp khác. Tuy nhiên, việc biến đổi dòng điện sẽ không làm thay đổi tần số của nguồn điện.

Máy biến áp áp dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để nhận và truyền những tín hiệu điện hoặc năng lượng điện xoay chiều theo một nguyên lý nhất định giữa các mạch điện. Trên thực tế, chúng có nhiệm vụ truyền tải điện năng và phân phối năng lượng đến nơi sử dụng tương ứng.

Lưu ý, máy biến áp không có chức năng chuyển đổi năng lượng.

Cấu tạo của máy biến thế

Dưới đây là cấu tạo máy biến áp với 3 thành phần chính của máy đó là lõi thép, cuộn dây (dây quấn) và vỏ máy.

Lõi thép

• Lõi thép được đặt bên trong máy biến thế, thông thường lõi có gông và trụ. Trụ của máy biến thế dùng để đặt dây quấn vào, còn phần gông có tác dụng nối liền giữa các trụ với nhau.
• Lõi thép của máy biến thế được chế tạo từ những lá sắt mỏng, ghép và có khả năng cách điện với nhau. Nhờ đó mà người ta có thể ứng dụng để chế tạo ra được vật liệu dẫn từ cực kỳ hiệu quả.
• Lõi thép thực hiện nhiệm vụ dẫn từ thông. Bên cạnh đó, chúng còn được ứng dụng để chế tạo khung đặt vào cuộn dây dẫn. Khung của những loại máy được sử dụng nhiều trong lĩnh vực công nghệ thông tin đòi hỏi phải đạt được tần số cao. Vì vậy, người ta sẽ sử dụng các lá thép Permalloy để ghép lại với nhau.

Cuộn dây hoặc dây quấn

• Dây quấn của máy biến thế được làm bằng đồng hoặc bằng nhôm để có thể dẫn điện tốt. Hơn nữa, máy biến thế được sử dụng liên tục và ứng dụng nhiều trong quá trình truyền tải điện năng. Do đó chất liệu đồng ngoài việc dẫn điện tốt còn giúp máy hạn chế được sự oxy hóa, từ đó giúp tăng độ bền cho máy. Ngoài ra, dây được bọc cách điện ở bên ngoài mục đích để dễ dàng nhận năng lượng và phân phối năng lượng ra ngoài.

Cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp là gì?

• Cuộn sơ cấp là cuộn dây thực hiện nhiệm vụ dẫn năng lượng để truyền vào giữa các mạch điện xoay chiều.
• Cuộn dây thứ cấp có nhiệm vụ ngược lại - nhận và truyền năng lượng ra để nối với tải tiêu thụ điện. Một điểm cần lưu ý khi chế tạo đó là hai cuộn dây này phải có số vòng dây khác nhau. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng mà người sản xuất điều chỉnh số vòng dây N1<N2 hoặc ngược lại.

Trường hợp số vòng dây cuộn sơ cấp lớn hơn số vòng dây cuộn thứ cấp thì là máy có tác dụng hạ áp (máy biến áp hạ thế).

Còn nếu số vòng dây cuộn sơ cấp nhỏ hơn số vòng dây cuộn thứ cấp thì là máy có tác dụng tăng áp (máy biến áp tăng thế).

Vỏ máy

• Vỏ máy có 2 phần chính là thùng và nắp thùng.
• Vỏ máy được chế tạo từ rất nhiều chất liệu, tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Chúng có thể được làm từ gang, tôn mỏng, thép hoặc nhựa, gỗ.
• Nhiệm vụ chính của vỏ máy là bảo vệ các thành phần bên trong của máy biến thế.

Nguyên tắc hoạt động của máy biến thể

Đây là hiện tượng xảy ra khi có một điện áp hoặc gọi là một suất điện động chạy qua một vật dẫn. Khi đó, vật sẽ được đặt ở bên trong một từ trường biến thiên.

• Ta gọi N1 là số vòng dây của cuộn dây 1
• N2 là số vòng dây của cuộn dây 2.
• Dây quấn 1 được nối với nguồn của một điện áp xoay chiều U1. Đây được gọi là dây quấn sơ cấp.
• Còn dây 2 sẽ làm nhiệm vụ cung cấp điện cho phụ tải Zt điện áp. Chúng được gọi dây quấn thứ cấp U2

2 cuộn dây được quấn trên mỗi lõi thép khép kín. Tiến hành cho một điện áp xoay chiều U1 vào cuộn dây N1, xuất hiện một dòng điện I1 chạy trong dây dẫn của cuộn dây N1. Đồng thời trong cuộn dây N1 cũng sẽ xuất hiện từ thông móc vòng cho cả hai cuộn dây N1 và N2.

Tương tự, cuộn dây N2 được nối với tải thì trên cuộn N2 sẽ xuất hiện điện áp U2 với dòng điện I2. Như vậy, năng lượng của dòng điện xoay chiều đã được truyền từ cuộn dây 1 sang cuộn dây 2.

Chú ý: Với chương trình Vật Lý lớp 9, ta tạm thời bỏ qua tổn hao của máy biến thế. Khi đó, công thức chung được áp dụng là U1xI1=U2xI2. Suy ra, tỷ lệ chung được sử dụng trong tính toán là:

Các loại máy biến thế

Máy biến thế được chia thành nhiều loại khác nhau. Một số cách để phân loại máy giúp người dùng dễ dàng xác định được loại máy phù hợp với mục đích và nhu cầu sử dụng:

Cách phân loại máy biến thế Các loại Theo cấu tạo

- Máy biến áp một pha

- Máy biến áp ba pha

Theo nhiệm vụ của máy - Các loại máy biến áp khác nhau sẽ có công dụng khác nhau như máy biến áp hà, máy biến áp dân dụng, máy biến áp xung, máy biến áp hàn. Theo cách thức điện

- Máy biến thế lõi dầu

- Máy biến thế lõi không khí

Theo chức năng

- Máy biến áp tăng thế

- Máy biến áp hạ thế

Theo mối quan hệ cuộn dây - Máy biến áp tự ngẫu và máy biến áp cách ly,...

Máy biến thế có tác dụng gì?

Máy biến thế có tác dụng làm biến đổi hiệu điện thế đặt vào 2 đầu cuộn dây. Cụ thể:

• Gọi hiệu điện thế đặt vào 2 đầu cuộn sơ cấp là U1, số vòng dây của cuộn sơ cấp là N1

• Gọi hiệu điện thế đặt vào 2 đầu cuộn thứ cấp là U2, số vòng dây của cuộn thứ cấp là N2

Bằng nhiều thí nghiệm chứng minh, người ta thấy rằng hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây máy biến thiên tỉ lệ với số vòng dây của mỗi cuộn dây. Khi đó, tỷ số hiệu điện thế ở hai đầu cuộn dây của máy biến áp bằng tỉ số giữa số vòng của các cuộn dây tương ứng.

Ta có tỷ lệ: U1/U2= N2/N1

• Khi U1 > U2, tức hiệu điện thế giữa 2 đầu cuộn sơ cấp lớn hơn hiệu điện thế giữa 2 đầu cuộn thứ cấp, thì đây là máy biến áp hạ thế.

• Khi U1 < U2, tức hiệu điện thế giữa 2 đầu cuộn sơ cấp nhỏ hơn hiệu điện thế giữa 2 đầu cuộn thứ cấp, thì đây là máy biến áp tăng thế.

Vai trò của máy biến thế

Như đã phân tích bên trên, các em có thể rút ra được vai trò của máy biến thế là để biến đổi hiệu điện thế, hay nói cách khác là chuyển đổi điện áp về đúng giá trị phục vụ từng nhu cầu sử dụng. Vì vậy, máy biến áp được sử dụng nhiều tại các nhà máy, hỗ trợ nhiều hoạt động truyền tải điện khác nhau.

Qua đó, người sản xuất có thể dễ dàng điều chỉnh tăng điện áp từ máy phát điện xoay chiều truyền đến các đường dây truyền tải điện đi xa. Bên cạnh đó, máy cũng có khả năng làm giảm điện áp ở cuối đường dây, đáp ứng mục đích cung cấp cho tải.

Ngoài vai trò trong việc truyền tải điện năng đi xa, máy biến áp còn được ứng dụng nhiều trong các lò hàn điện, lò nung, đo lường hoặc sử dụng để làm nguồn điện cho các thiết bị điện, điện tử.

Xem thêm: Vì sao phải truyền tải điện năng đi xa? Giải đáp kiến thức lý lớp 9

Hướng dẫn giải bài tập máy biến thế Lý 9

Sau khi đã tìm hiểu lý thuyết liên quan đến máy biến thế, các em cũng cần phải thực hành các câu hỏi bài tập trong phần này để nắm vững cũng như ghi nhớ thật kỹ nội dung bài học.

Bài C1 (trang 100 SGK Vật Lý 9): Nếu đặt vào hai đầu của một cuộn dây (gọi là cuộn sơ cấp) một hiệu điện thế xoay chiều thì bóng đèn mắc ở hai đầu cuộn dây kia (gọi là cuộn thứ cấp) có sáng lên không? Tại sao?

Hướng dẫn giải: Nếu đặt vào 2 đầu cuộn dây sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều thì bóng đèn mắc ở 2 đầu cuộn dây thứ cấp có phát sáng.

Nguyên nhân vì sẽ xuất hiện dòng điện xoay chiều khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều. Lõi sắt bị nhiễm từ sau đó sẽ trở thành một nam châm có từ trường biến thiên; số đường sức từ của từ trường xuyên qua tiết diện S của cuộn thứ cấp cũng theo đó mà biến thiên. Vì vậy, bên trong cuộn dây thứ cấp xuất hiện dòng điện cảm ứng làm cho đèn phát sáng.

Bài C2 (trang 100 SGK Vật Lý 9): Hiệu điện thế xuất hiện ở hai đầu cuộn dây thứ cấp cũng là hiệu điện thế xoay chiều. Vì sao?

Hướng dẫn giải: Đặt vào 2 đầu cuộn dây sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều thì trong cuộn dây đó có xuất hiện dòng điện xoay chiều chạy qua. Từ trường trong lõi sắt luân phiên tăng giảm. Kết quả là trong cuộn dây thứ cấp xuất hiện một dòng điện xoay chiều.

Mặt khác, một dòng điện xoay chiều phải do một hiệu điện thế xoay chiều gây ra. Điều này lý giải vì sao hiệu điện thế xuất hiện ở hai đầu cuộn dây thứ cấp là hiệu điện thế xoay chiều.

Bài C3 (trang 101 SGK Vật Lý 9): Căn cứ vào số liệu trong bảng 1 SGK, hãy rút ra nhận xét về mối quan hệ giữa hiệu điện thế U đặt vào hai đầu của các cuộn dây của máy biến thế và số vòng dây của các cuộn tương ứng.

Hướng dẫn giải: Hiệu điện thế ở hai đầu mỗi cuộn dây của máy biến thế tỉ lệ với số vòng dây của các cuộn dây tương ứng.

Bài C4 (trang 102 SGK Vật Lý 9): Một máy biến thế dùng trong nhà cần phải hạ hiệu điện thế từ 220V xuống còn 6V và 3V. Cuộn sơ cấp có 4000 vòng. Tính số vòng của các cuộn thứ cấp tương ứng.

Tóm tắt:

U1 = 220V; n1 = 4000 vòng;

U2 = 6V; U2’ = 3V;

n2 = ?; n2’ = ?

Hướng dẫn giải:

Với U2 = 6V, ta có: U1/U2= N2/N1 => N2 = N1. U1/U2 = 4000.6/220= 109 (vòng)

Với U2’ = 3V ta tính được cuộn 3V có số vòng là:

N’2 = N1. U’2/U1 = 4000.3/220= 54,6 (vòng)

Câu 2 (Trang 80 sách bài tập Vật Lí 9): Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 4400 vòng, cuộn thứ cấp có 240 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều 220V thì ở hai đầu dây của cuộn thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu?

Tóm tắt:

N1 = 4400 vòng; N2 = 240 vòng

U1 = 220 V; U2 = ?

Hướng dẫn giải:

Áp dụng công thức: U1/U2= N2/N1

Khi đó, hai đầu dây của cuộn thứ cấp có hiệu điện thế là:

U2 = U1.N2/N1 = 220.240/4400 = 12(V)

Bài 3 (Trang 80 sách bài tập Vật Lí 9): Vì sao không thể dùng dòng điện một chiều không đổi để chạy máy biến thế?

Hướng dẫn giải: Vì dòng điện một chiều không đổi sẽ tạo ra một từ trường không đổi, dẫn đến số đường sức từ xuyên qua tiết diện của cuộn thứ cấp không đổi. Khi đó trong cuộn thứ cấp không có dòng điện cảm ứng.

Bài 4 (Trang 80 sách bài tập Vật Lí 9): Một máy phát điện xoay chiều cho một hiệu điện thế ở hai cực của máy là 2000V. Muốn tải điện năng đi xa, người ta phải tăng hiệu điện thế lên tới 20000V. Hỏi phải dùng máy biến thế với các cuộn dây có số vòng dây theo tỉ lệ nào? Cuộn dây nào mắc với hai cực của máy phát điện?

Tóm tắt:

U1 = 2000V; U2 = 20000V

N2/N1 = ?

Hướng dẫn giải:

Phải dùng máy biến thế với các cuộn dây có số vòng dây theo tỷ lệ là:

U2/U1= N2/N1 = 10

Cuộn dây có ít vòng được mắc vào hai cực của máy phát điện.

CÙNG BÉ HỌC TOÁN SONG NGỮ - PHÁT TRIỂN TƯ DUY NÃO BỘ CHỈ VỚI 2K/NGÀY KHI TẢI APP MONKEY MATH

Bài tập về máy biến thế Vật Lý 9 tự luyện

Ngoài bài tập trong SGK Vật Lý 9, dưới đây là một số mẫu bài tập liên quan để các em có thể vận dụng lý thuyết vào thực hành hiệu quả hơn:

Câu 1: Một máy biến thế có hiệu điện thế cuộn sơ cấp là 220V, số vòng cuộn sơ cấp là 500 vòng, hiệu điện thế cuộn thứ cấp là 110V. Hỏi số vòng của cuộn thứ cấp là bao nhiêu vòng?

Câu 2 : Máy biến thế dùng để biến đỗi hiệu điện thế xoay hiều 110v lên 220v. BIết cuộn thứ cấp có 10.000 vòng

a. Tìm số vòng cuộn sơ cấp

b.Dùng máy biến thế trên để biến đổi hiệu điện thế ăcquy 12v lên 60vđược không? tại sao?

Câu 3 : Hai đầu cuộn thứ cấp máy biến thế cho ra hiệu điện thế 30v. Hiệu điện thế cuộn sơ cấp là bao nhiêu? Cho biết cuộn sơ cấp có 1200 vòng dây và cuộn thu' cấp có 300 vòng. Máybiến téế này là máy tăng hay hạ thế?

Câu 4: Cuộn sơ cấp của máy biến thế có 4 400 vòng, cuộn thứ cấp có 240 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều 220V thì ở hai đầu dây cuộn thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu?

Câu 5: Vì sao không thể dùng dòng điện một chiều không đổi để chạy máy biến thế?

Câu 6: Một máy phát điện xoay chiều cho một hiệu điện thế ở hai cực của máy là 2 000 V. Muốn tải điện năng đi xa, người ta phải tăng hiệu điện thế lên 20 000 V. Hỏi phải dùng loại máy biến thế với các cuộn dây có số vòng dây theo tỉ lệ nào ? Cuộn dây nào mắc vào hai cực của máy phát điện ?

Câu 7: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có N1 = 5000 vòng, cuộn thứ cấp có N2 = 625 vòng. Nối hai đầu cuộn sơ cấp vào mạng điện có hiệu điện thế U1 = 220V.

a) Tính hiệu điện thế giữa hai đầu cuộn thứ cấp.

b) Tính dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với điện trở 137,5 Ω. Coi điện năng không bị mất mát.

Câu 8: Mắc vôn kế vào hai đầu cuộn thứ cấp của một máy biến thế thì thấy vôn kế chỉ 9V. Biết hiệu điện thế của hai đầu cuộn sơ cấp là 360V. Hỏi:

a) Biến thế nói trên là biến thế tăng hay giảm thế?

b) Biết cuộn thứ cấp có 42 vòng. Tính số vòng dây ở cuộn sơ cấp.

Câu 9: Một máy biến thế có số vòng dây ở cuộc sơ cấp là 1000 vòng, cuộn thứ cấp là 1600 vòng. Đặt ở đầu đường dây tải điện để truyền đi một công suất là 1100KW biết hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp là 110V.

a) Tính hiệu điện thế ở cuộn sơ cấp

b) Cho R = 50 ôm. Tính công suất hao phí do tỏa nhiệt đường dây.

Câu 10: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp 500 vòng, cuộn thứ cấp 25000 vòng. Hiệu điện thế đặt vào hai cuộn sơ cấp là 5000V. Tính hiệu điện thế ở hai đầu cuộn thứ cấp?

Câu 11: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 4400 vòng, cuộn thứ cấp có 220 vòng. Nối hai đầu cuộn sơ cấp với mạng điện có hiệu điện thế U1 = 220V. Hiệu điện thế ở giữa hai đầu cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Câu 12: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có 500 vòng, cuộn thứ cấp có 40 000 vòng. Nối hai đầu cuộn sơ cấp với mạng điện có hiệu điện thế U1 = 220V. Hiệu điện thế ở giữa hai đầu cuộn thứ cấp là bao nhiêu? Máy biến thế này là máy tăng thế hay máy hạ thế?

Câu 13: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 8 000 vòng, cuộn thứ cấp có 400 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều 180 V thì ở hai đầu cuộn dây thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu? Máy biến thế này là máy tăng thế hay máy hạ thế?

Câu 14: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 1000 vòng, cuộn thứ cấp có 500 vòng. Nối hai đầu cuộn sơ cấp với mạng điện có hiệu điện thế U1 = 220V. Cường độ dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp là bao nhiêu nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với một điện trở có giá trị R = 10Ω?

Câu 15: Cuộn sơ cấp của một máy biến thế có 4000 vòng, cuộn thứ cấp có 2000 vòng. Nối hai đầu cuộn sơ cấp với mạng điện có hiệu điện thế U1 = 220V. Cường độ dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp là bao nhiêu nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với một bóng đèn có công suất P = 40W?

Câu 16: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có 1000 vòng, cuộn thứ cấp có 500 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều U1 = 220V thì ở hai đầu cuộn dây thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu? Máy biến thế này là máy tăng thế hay máy hạ thế? Nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với một điện trở có giá trị R = 10Ω thì cường độ dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Câu 17: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có 2000 vòng, cuộn thứ cấp có 1000 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều U1 = 220V thì ở hai đầu cuộn dây thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu? Máy biến thế này là máy tăng thế hay máy hạ thế? Nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với một bóng đèn có công suất P = 60W thì cường độ dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Câu 18: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có 1000 vòng, cuộn thứ cấp có 500 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều U1 = 12V thì ở hai đầu cuộn dây thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu? Máy biến thế này là máy tăng thế hay máy hạ thế? Nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với một điện trở có giá trị R = 20Ω thì cường độ dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Câu 19: Một máy biến thế gồm cuộn sơ cấp có 2000 vòng, cuộn thứ cấp có 1000 vòng. Khi đặt vào hai đầu cuộn sơ cấp một hiệu điện thế xoay chiều U1 = 12V thì ở hai đầu cuộn dây thứ cấp có hiệu điện thế là bao nhiêu? Máy biến thế này là máy tăng thế hay máy hạ thế? Nếu nối hai đầu cuộn thứ cấp với một bóng đèn có công suất P = 40W thì cường độ dòng điện chạy qua cuộn thứ cấp là bao nhiêu?

Câu 20: Để thắp sáng bóng đèn có hiệu điện thế định mức là 220 V, người ta sử dụng máy biến thế để giảm hiệu điện thế từ 1100 V xuống 220 V. Số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến thế này có tỉ số là bao nhiêu?

Kết luận

Các kiến thức liên quan đến bài máy biến thế đã được đề cập đầy đủ và chi tiết trong bài viết trên. Phần bài tập củng cố với lời giải đi kèm sẽ giúp các em nắm chắc kiến thức một cách tốt nhất. Chúc các em học tốt.